Als de opwarming van de aarde catastrofale overstromingen veroorzaakt die tegen het einde van de eeuw de meeste stedelijke kustgebieden in de wereld overspoelen, hoe gaan we daar dan mee om? Biomimicry-ontwerper en materiaalwetenschapper Jun Kamei van het Royal College of Art’s antwoord is Amphibio – een soort lichtgewicht 3D-geprint vest gemaakt van een polymeer dat fungeert als zowel een kunstmatige kieuw als een ademhalingsreservoir dat mensen in staat zal stellen om rond te hangen in de ondergelopen megasteden.
Ontworpen in samenwerking met het RCA-IIS Tokyo Design Lab, is Amphibio Kamei’s oplossing voor een verwachte toekomst in 2100, wanneer de opwarming van de aarde de ijskappen heeft gesmolten en de stijgende oceanen 30 procent van de wereldbevolking hebben getroffen. De intuïtieve reactie op zo’n ramp zou kunnen zijn om landinwaarts te verhuizen, maar Kamei gelooft dat een beter idee zou zijn om een semi-aquatische levensstijl aan te nemen met behulp van iets als de Amphibio kunstmatige kieuw.
Still in de conceptfase, Amphibio is een biomimetische kunstmatige kieuw die is gebaseerd op duikende spinnen en insecten die een superhydrophobic huidoppervlak hebben dat hen in staat stelt om een luchtbel rond hun lichaam te verzamelen. Deze luchtbellen werken als kieuwen die in het omringende water opgeloste zuurstof binnenlaten en kooldioxide afgeven.
Amphibio maakt gebruik van hetzelfde principe met een speciaal en niet nader gespecificeerd poreus hydrofoob materiaal dat geschikt is voor 3D-printing om een soort geschulpte vest te maken dat bestaat uit een reeks luchtblazen die uitmonden in een masker dat de neus en mond bedekt. Kamei beschrijft Amphibio als het tussenpunt tussen vrijduiken en scubaduiken dat duikers in staat stelt om langer onder water te blijven met lichtere uitrusting.
Tot nu toe heeft Kamei laboratoriumtests uitgevoerd met een testblaas gevuld met kooldioxide en opgehangen in een tank om aan te tonen dat het zuurstof kan opnemen. Hij geeft toe dat het ontwerp nog een lange weg te gaan heeft en noemt het feit dat het oppervlak te klein is en ten minste 32 m² moet zijn om genoeg zuurstof voor een persoon te verzamelen.
Hoewel Kamei de technische kant van Amphibio erkent, is de technologie nog lang niet haalbaar, laat staan praktisch. Het idee van een kunstmatige kieuw is mainstream sinds onderwaterpionier Kapitein Jacques Cousteau in 1962 verklaarde dat de toekomst van de zee-exploratie lag in de creatie van “menfish” die water kunnen ademen. Het probleem is dat er een zeer grote kloof bestaat tussen het idee en de realiteit.
Sinds de eerste experimenten met halfdoorlaatbare plastic membranen om zuurstof aan water te onttrekken, stapelden de hindernissen om het idee praktisch te maken zich snel op. Aanvankelijk leek de technologie een winnaar toen onderzoekers hamsters in membraandoosjes ondergedompeld in vistanks stopten, maar iets maken dat doet wat een viskieuw doet, is een stuk moeilijker.
Als je een lijst van zeeleven bekijkt, zul je zien dat geen van de zeezoogdieren kieuwen heeft. Daar zijn een aantal redenen voor, maar een van de belangrijkste is dat zoogdieren een zeer hoge stofwisseling hebben die veel zuurstof vergt. Als je een liter lucht neemt, zit daar 200 ml zuurstof in. Maar als je water hebt, komt dat neer op slechts 5 tot 10 ml zuurstof per liter. Dat is prima voor koudbloedige vissen, maar een kunstmatige kieuw die door een persoon wordt gedragen moet 10 tot 20 keer meer water verwerken in volume dan lucht, of 100 liter per minuut bij 100 procent efficiëntie om de duiker in leven te houden.
Dat betekent dat een aantal dingen nodig zijn. Voor een ding, het betekent een zeer groot oppervlak vergelijkbaar met de 50 tot 75 m² (540 tot 810 ft ²) van de menselijke longen en het betekent ook een veel water stroom. Dat is de reden waarom vroege kunstmatige kieuwontwerpen zwaar gegolfde membranen hadden die in grote rugzakken werden gepropt met batterijen, bijgevulde luchttanks, en enorme waaiers om water door het apparaat te duwen.
Daar houden de problemen niet op. Als zuurstof en kooldioxide door een kunstmatig kieuwmateriaal kunnen, kunnen neutrale gassen dat ook. Terwijl de kieuw zuurstof uit water kan opnemen, kan het geen stikstof krijgen, zodat de stikstof in de longen van de duiker, die 78 procent uitmaakt, snel zal wegsijpelen en de slangen zullen bezwijken en het ademmasker zal overstromen met water. Dit zou nog erger zijn met Amphibio omdat de luchtlaag die door het hydrofobe oppervlak wordt ingesloten, zou worden verminderd en spoedig zou verdwijnen naarmate de stikstof in het omringende water wordt verspreid.
Hetzelfde geldt voor de druk. Kunstmatige kieuwen werken het best in zeer ondiep water. Als de duiker meer dan een paar meter naar beneden gaat, zal de waterdruk, nogmaals, de slangen en de blazen doen bezwijken en het gelaatsmasker zal overstromen. Scuba heeft dit probleem niet omdat het is ontworpen om automatisch te compenseren met behulp van een regulator, die lucht bij omgevingsdruk levert voor een bepaalde diepte.
Niets van dit alles ontkracht het idee achter Amphibio, maar het heeft wel veel meer werk nodig op een zeer fundamenteel niveau om het praktisch te maken. Als het ooit op de markt komt, is het misschien leuk om in een ondergelopen kathedraal te duiken. Hoewel we voor de gelegenheid een masker, zwemvliezen en loodgordel zouden aanraden in plaats van een doorschijnend gewaad.
De video hieronder toont de tanktest van een Amphibio blaas.