突破潜水深度记录的希望：氢气

博主：氢氧潜水的历史已经有80年，最早是瑞典海军潜水专家取得实际潜水的突破，但不幸死于意外。80年代法国Comx公司进行了大量潜水试验研究，90年代实现了701米最大潜水深度的突破，但后来该公司转移了研究方向，由于潜水技术的主流是氦氧潜水，许多潜水大国包括中国仍然主要在这一方向努力。氢氧潜水此后几乎销声匿迹。

最近几年，洞穴探险潜水领域对氢气用于潜水技术产生了兴趣，这些非官方潜水队伍对氢气潜水技术发起了挑战。其中也有氢气医学研究的影响因素，例如发现氢气对氧气毒性的对抗效应，氢气减少应激损伤的作用。希望这些勇敢的潜水员能取得预期成功，这也是给氢气的医学应用提供更多安全使用氢气的新证据。

本文主要围绕2023年在新西兰230米水下洞穴潜水的故事，这次潜水是第一次采用氢气进行的常规潜水。

大深度潜水遇到的最大障碍，或者人类面临高压最大的问题是高压神经综合征，这是高压（15个大气压）对中枢神经系统的兴奋引起，氢气不仅能取代氦气帮助减少呼吸阻力，而且具有比较轻微的麻醉作用，这种轻微麻醉作用恰好能对抗高压造成的神经兴奋。因此氢气是最理想的大深度呼吸气体成分。本文所介绍的2023年哈里斯230米深度氢气潜水发生的现象，就非常明确证明氢气减少高压神经综合征的作用。希望就像历史上发生的那样，氢气能在潜水技术上再造辉煌。

人体如何承受水下压力，这个问题已经存在了一个多世纪，但是一群非正统（a ragtag band of 乌合之众）潜水员正在用氢气进行实验以找出答案。

现在我们去了解这些探索人类能潜水极限的潜水员们

Meet the divers trying to figure out how deep humans can go | MIT Technology Review

摘要：2023年，潜水员理查德·哈里斯在新西兰的皮尔斯泉（Pearse Resurgence），一个充满水的巨大洞穴，下潜到了230米的深度，呼吸着氧气和氢气的混合气。氢气工作组的科学家、工程师和潜水员正在试验这种氢氧混合气，以到达超过300米的最大潜水深度。氢气减轻了高压氧气的毒性，同时比其他惰性气体更能限制神经系统效应——麻醉、震颤和惊厥发作。但是氢氧混合气具有爆炸的危险性。“如果你在氢氧混合气燃烧时呼吸这种气体，那将是一次非常不愉快的潜水，”美国海军实验潜水单位的前科学主任约翰·克拉克说。

在地球上最深的水下洞穴之一，新西兰皮尔斯冷水洞穴水下230米某处，潜水员理查德哈里斯“哈里”知道，在他前方不远处有一个15米的落差，通向一个前所未有的地方。

在那一刻，哈里斯被他眼前的一切所吸引：广阔、黑暗、张着大口的未知世界。但如果潜水到达那里，还需要三周的测试潜水、两架直升机运来两吨的设备，以及为避免意外需要的众多技术问题的辛勤工作。

凝视着它，他感到了熟悉的吸引力——也许他能再往前走一点点。但他没有，他看到他的潜水伙伴克雷格·查伦，漂浮在他右边几英尺远的地方。他们俩多年来一直在潜水越来越危险和未探测的洞穴，使他们成为当今世界仅有的几个具备技能协助2018年泰国足球队被困洞穴救援的潜水员之一。他们非常了解彼此和极端风险。即使透过护目镜和呼吸装置的口罩，四条粗厚的潜水软管像盘绕在他的脸上，猛犸象的獠牙一样。哈里斯看出查伦也有同样的感觉，他们都非常想向前推进到黑暗的广阔空间中。

然而，在哈里斯的示意下，他们转身返回。超过245米深度他们不是来这里的目的，他们三年前就已经达到。他们也不是来创造深度记录的，那意味着要超过308米。他们是来测试如何突破超过310米深度的技术关键：呼吸氢气。

人体如何承受远超阈值的水下压力？这个问题已经存在了一个多世纪。长期以来，世界各国海军和海上石油公司一直在研究这个问题，以获取潜水技术和商业利润，在20世纪70年代和80年代，他们的研究开始渗透到民用领域，那里的人们正在测试自己的好奇心极限。

潜水员理查德·哈里斯

2023年在新西兰皮尔斯冷水洞穴Pearse Resurgence，哈里斯完成了首次氢气潜水。照片来自西蒙米切尔。

一、国际潜水偶像死于意外

谢克·埃克斯利（Sheck Exley）是佛罗里达州利夫奥克的一名高中数学老师，已经成为了潜水界的国际偶像，因为他打破了潜水的记录，在某些情况下，超过了军事和商业专业潜水的限制。埃克斯利从青少年时期就开始在佛罗里达北部的水下洞穴潜水。1972年，23岁的埃克斯利成为世界上第一个记录进行1000次洞穴潜水的人。探索这些洞穴促使他潜得更深。自从1966年在佛罗里达州水晶河的第一次洞穴潜水以来，他就迷上了。他在1992年告诉《AquaCorps》杂志：“我有点走进了那里的洞穴，我的眼睛适应了环境，我又游了一会儿，窥视着黑暗深处。我想从那时起我就一直在窥视那片黑暗。”

在大约40米深的地方，如果呼吸压缩空气：78%的氮气、21%的氧气和1%的微量气体，会导致惰性气体氮气麻醉，或称为“马提尼效应”，以它引起的失能状态命名。再深一点，氧气就会变得有毒。多年来，美国和英国海军一直在使用氦气来稀释潜水员气瓶中的氧气和氮气，以对抗这两个问题，但外界很少有人知道这一点。1981年，德国洞穴潜水员约亨·哈森迈尔（Jochen Hasenmayer）使用氦气混合气达到了143米后，埃克斯利也开始使用它——尽管他知道就在几年前，佛罗里达的两名潜水员尝试了这种混合气并死亡。

超过40米的潜水员通常不使用固定气体比率——他们在下潜和上升过程中轮换使用氮气、氧气和氦气的混合气，并根据位置、水温、对麻醉的神经耐受度以及许多其他变量进行调整。减压表为这个过程提供了精确的路线图，它们列出了不同的气体混合气和呼吸它们的时间长度——这非常必要，因为上升得太快会释放潜水员血液和组织中积累的气体，就像拧开汽水瓶盖释放气泡一样，导致痛苦、通常会导致残疾的状况，称为减压病。没有这些减压减压表，从大深度上升太冒险了。但是生成它们需要高水平的技术和大多数人无法获得的数据档案。

埃克斯利说服一个从事商业潜水的朋友给了他一个样本减压表，他用它在电脑上推算出超过121米的减压方案数据。1987年，根据这些信息，他使用氦气成功地打破了墨西哥纳西缅托曼特的200米潜水屏障——一个24分钟的下潜，迫使他在水下停留11.5小时以进行减压。在那段减压时间里，他感到自己变得非常地虚弱。他的血糖下降，寒冷渗入四肢，他暴露的手和脸开始变得皱巴巴、剧疼，然后脱皮。“当时我觉得自己可以潜得更深，”他在那年告诉《InDepth》杂志。“但我知道我达到了自己的潜水减压极限。”

1988年，埃克斯利再次打破自己的深度记录，使用由生理学家比尔·汉密尔顿（Bill Hamilton）制作的更精确减压表，达到了237米。汉密尔顿被潜水员们称为“气体王子”，他参与了200米以上减压表制作的最早工作。

汉密尔顿帮助开发了一个计算机程序，该程序能够生成极为精确的减压表，根据任意数量的参数进行校准，汉密尔顿为世界各地的商业潜水公司和海军创建了这些减压表。航空航天工程师兼洞穴潜水员比尔·斯通说：“通过这些减压表，他拥有了惊人的数据量。”斯通构建并销售了一种早期的再呼吸器——一种通过清除二氧化碳来循环呼出气体的呼吸装置。“他处理了所有这些数据，并开发了随机模型，计算出在减压过程中哪里可以提速而不会伤害自己。”在80年代，汉密尔顿做出了前所未有的举动，为非商业或军事潜水员定制减压表，这使得他在潜水社区中永远受到喜爱。

但在1994年，埃克斯利试图到达墨西哥萨卡顿天坑底部时不幸遇难，该天坑深达332米——他到达了270米。一个可能因素是高压神经综合症（HPNS），这是一种表现为不可控制震颤的神经系统疾病，当潜水员在超过150米的高压环境下过快下潜时会引发。HPNS是高压环境对神经系统的兴奋作用，在混合气体中增加氮气可能有助于缓解HPNS，氮气的麻醉效果可对抗神经兴奋性。但在那样的大深度，增加更多氮气会增加呼吸阻力，使呼吸更加困难，不仅因为气体的密度，且氮麻醉也会令人衰弱。

潜水员们仍然突破了埃克斯利的记录，达到了250米甚至300米，他们紧握拳头挺过HPNS的症状。但在如此深的地方，氦气对人体来说太多，无法及时处理。“随着你潜得更深，每下潜10米就会增加一个大气压的压力——所以一旦我们到达250米的深度，那就是26个大气压，”哈里斯的潜水搭档查伦告诉我。“大量气体进出肺部变成了一个大的物理问题。”为了缓解这个问题，潜水员需要呼吸比氦气更轻的东西。

“只有氢气这一种更轻的气体，”查伦说。“氢气之后，没有更轻的了。”

二、活跃的氢气工作组

氢气工作组最初源自一个“思想实验”，据资深潜水员、《InDepth》杂志主编迈克尔·门杜诺所说，他与前美国海军实验潜水单位科学总监约翰·克拉克一起将大家聚集起来合作。这也是科学家们、工程师们和发明家们常见的社交方式：通过争论如何使某物工作。

氢气工作组的这个想法最早出现在2020年，当时门杜诺在研究一篇关于超过250米深潜的文章时得出结论，氦气潜水技术已经到了深度极限。埃克斯利本人指出了他所看到的达到前所未有的深度的下一步：“据我所学，似乎有一些真正具有突破的潜力是选择氢氦氧混合气”——即氧气-氦气-氢气混合气。不过，“没有人研究过它在大深度邦司潜水中的使用，”他在1992年的一次采访中告诉门杜诺，他指的是在潜水员潜水达到安全气体饱和点前不使用减压舱帮助的潜水。

当氢气工作组在疫情开始时成立，门杜诺对历史上使用氢气潜水的尝试很熟悉。90年代，门杜诺曾前往法国观摩由马赛的深海潜水系统和设备公司（Compagnie Maritime d' Expertises）Comex的医生、工程师、科学家和试验潜水员组成的团队，试图在充满氢气混合气的高压舱中突破701米。（这是目前国际潜水最大深度记录，需要15天的加压和23天的减压。）这是Hydra 10项目的一部分，是一系列使用氢气的实验。在1996年的Hydra 12项目之后，该项目完全放弃了追求氢气。公司转向了载人潜水器和饱和潜水——饱和潜水即在极端深度停留足够长的时间，以允许惰性气体完全溶解在潜水员的血液中，这只有在有减压舱条件的情况下才可能。“商业潜水没有诗意，没有幽默感——你只需要考虑效益，”曾在Hydra项目上工作并邀请门杜诺在90年代参观实验的让-皮埃尔·因伯特说。

在2012年，基于Comex的工作，一个名为Hydrox项目的瑞典潜水团队成功地在40米深的水下呼吸了5分钟的氢氧混合气。他们不太愿意分享这些信息，担心没有专业知识的人可能会冒险尝试。“我们没有公布或透露太多关于我们是如何做到的，因为我们相信如果你做错了——你必须理解它，否则你会惨败，”Hydrox项目的成员之一、潜水工程师Åke Larsson后来说。“但这不是什么高科技。它并不复杂，如果你做好功课，就会成功。但必须做得正确。”

当门杜诺和克拉克开始召集该领域的专家，讨论在没有减压舱的情况下潜水员是否能超过200米深呼吸氢气的可能性时，这就是他们心中的历史时刻。每个成员都是不同方向的专家，但都将涉及到潜水，如呼吸装置的机械原理、气体混合气的计算、潜水员在应对寒冷和压力时必须克服的生理问题。在第一次会议结束时，他们提出了如此多的潜在问题，以至于他们创建了一个他们所说的“挑战树”来组织这些问题。成员们倾向于各自专业领域，并提出可能的解决方案回到小组。这棵挑战树不断分支，解决方案引出了新的问题。

查伦帮助哈里斯潜水前准备；在前面是两个巨型双髻鲨呼吸器，一个装有氧气-氦气-氢气混合气，另一个则是标准的氧气-氦气-氮气（2020年）。SIMON MITCHELL

三、哈里斯加入氢气工作组

哈里斯是应门杜诺的邀请加入了工作组。他的Wetmules潜水队曾在新西兰皮尔斯河源——皮尔斯泉达到245米深，但洞穴还在延伸，他们想要绘制水下地图。他们知道氦气不可能帮助他们超过300米。然而，氢气却让人神经紧绷。“我真不想成为那个在转换氢气后在水下突然爆炸的试验品，”他在第一次会议上告诉小组。“所以如果我们能解决这个问题就好了。”

正如兴登堡号灾难向世界展示的那样，氢气极易燃烧。比你手指上能感受到的最轻微的静电还要小数百倍的火花就足以点燃它。即使这样的火花不会引起爆炸，它也仍然可以使气体着火。“如果你在呼吸这种混合气时它燃烧了，”克拉克告诉小组，“那将是非常不愉快的潜水。”

美国海军实验潜水单位的实验生理学家大卫·杜莱特曾在90年代自己潜过皮尔斯泉，他对氢气潜水持怀疑态度，但认为自己“对氢好奇”，指的是氢气的分子结构。首先，氢气散热能力强，意味着潜水员有患上低体温症的风险。“氢气会将你体内的热量吸走至危险水平，”（这一物理特征也说明，吸入氢气具有降低体温的潜在价值）他告诉小组。其次，没有现成数据计算正确的减压方案。“要做减压表计算将是一个挑战，”他告诉小组。“嗯，做那个并不难——那很容易。难的是要做正确，这才能确保潜水安全。”

其他人也分享了哈里斯的怀疑态度。前世界纪录保持者、洞穴潜水员努诺·戈麦斯特别关心减压问题。“我认为，如果要继续，必须慢慢推进，”他告诉小组。“从浅水潜水开始，逐渐进行更深的潜水。”但据杜莱特和航天工程师斯通所说，很快就明确了哈里斯已经决定尝试在皮尔斯泉使用氢气。在2022年澳大利亚的一个会议上，氢气工作组成员聚在一起面对面交谈时，因伯特说，超过3.5%的氢气浓度可能会引发爆炸。

“哈里点头说，‘嗯，我不认为那是真的，’”斯通告诉我。因伯特问他如何证明。“哈里说，‘嗯，上周我在我家游泳池里用了7%。’每个人都精神一振。”

哈里斯订购了一个氢气罐送到他位于阿德莱德郊区的家中，并后来解释说，“决定有点玩弄它”。他将呼吸器改装成适用于氢气，并将其放入后院游泳池中，希望以此控制任何潜在的爆炸。他给再呼吸器充满氢气，然后从游泳池后退，开始引入氧气。（他的狗在泳池围栏外观看；他的妻子不在家。）

当没有发生爆炸时，他开始调整氧气和氢气的比例，足够自信地尝试自己使用再呼吸器。他后来告诉我，他的第一口感觉轻盈、滑腻且冰冷。呼吸起来几乎令人愉快地轻松。“氢气的声音比氦气的声音傻多了，”他告诉我。“我很高兴房子和狗都完好无损。”

其他人感到惊讶。有些人感到不安。“每个人都必须为他们自己做出这个决定，”斯通告诉我。“皮尔斯泉不是做实验的地方。当你进去时，你应该使用你知道在那个深度会起作用的装备和技术。你不想在300米深的地方做生理实验。这就是之前所有超过200米深的潜水员丧命的原因。所以我对哈里和其他任何想玩这个游戏的人的建议和我对埃克斯利说的一样：到一个减压舱。首先模拟这个过程。”

“小组有点分裂，”门杜诺告诉我。“我的意思是，每个人都支持哈里，但是小组中有些人认为：你会死的。小组中的一些人担心他们的朋友会去做这件事并且可能会死。”

三、吸氢气潜入230米

在皮尔斯泉的第一个转角处，光线消失了，就好像是黑暗的墙壁，黑色大理石夹杂着灰色石英的纹理吸收了光线。洞穴有时狭窄到你如果站立，就能触摸到天花板。其他部分则膨胀成巨大的洞室。在某些地方，参差不齐的岩石手指从墙壁上伸出。洞穴的其他更深的部分则光滑且几乎完美圆形，只有通往未探索隧道的深色裂缝打破了这种完整。

随着洞穴的每一个部分被发现，它都会被命名。2023年2月下潜时，哈里斯和查伦穿过了噩梦新月、针弯者、漱口爆炸器、织布者的壁架、大房间，最后是布鲁克林出口。水温为6°C，非常清澈。那里有一种超凡脱俗的寂静，除了再呼吸器的短暂嘶嘶声和点击声，电磁阀触发的噼啪声，气体通过循环系统的叹息声。

在120米处，洞穴通向一个平台，平台下是一个深渊。“在那一点上，就像站在悬崖边缘，”哈里斯告诉我。“感觉你真的开始了新旅程。”

深渊通过一个垂直隧道向下50米。到了170米深度，哈里斯可以在他脑海中的地图上追踪自己的位置，沿着熟悉的岩石构造前进。他们想要保存体力并防止二氧化碳在关节中积聚，所以他们限制了自己的活动，依靠水下推进器移动。他们在下降过程中慢慢地在不同点打结，绕过以前潜水留下的绳索，其中一些是杜莱特20年前安装的。

哈里斯做了任何人都没有做过的事，230米水下吸入氢气自由潜水。

哈里斯记得，尽管他的心思完全集中在他们严格的计划上，对他再呼吸器发出的任何可能意味着失败的奇怪噪音都保持高度警觉，但他还是停下来想了一会儿：“如果我再也看不到这个怎么办？”

在200米处，哈里斯引入了氢气。在接下来的30米中，他评估了自己身体的反应。他很冷静，头脑清晰，但他更注意到，通常在这个深度会出现的手部轻微震颤——高压神经综合征的早期迹象——消失了。他看向使用氦气的查伦，当他打结绳索时：他的潜水伙伴的手明显在颤抖。（这里是本文最关键的信息，无论是哈里斯自己，而且他的同伴，都证明氢气对于避免在230米深度高压神经综合征的作用。）

在230米处，哈里斯做到了前所未有的事情——自由下潜到这些难以想象的深度并呼吸氢气——但他的目光只稍微远了一点，投向了仅15米外的未探索的下降点。“如果我说我没有梦想过下去那里，那我就是在撒谎，”他后来在马耳他对观众说。

那些痴迷于学习如何将人体置于难以置信的压力之下的人构成了一个相对较小的社区；大部分情况下，每个人都与其他人只有一度之隔。海军科学家克拉克和同为氢气工作组成员的生理学家、减压专家苏珊·卡亚尔，都在90年代在美国海军医学研究所工作过。他们失去了联系，但在两人都发表了包含氢气潜水场景的小说后重新联系上了——她的是用于救援任务，他的是为了回收坠入海中的UFO。“在这方面，她的更现实，”克拉克说。“我已经30年没和苏珊说话了，然后我们终于发现：哇，我们的想法非常相似！”

在Pearse Resurgence的噩梦新月不远位置，查伦搭建了一个7米高的栖息地。这个栖息地配备了座椅，以便潜水员在最终减压停留期间能在一个干燥的环境中坐着休息。SIMON MITCHELL

对使用氢气持怀疑态度的研究生理学家杜莱特认识哈里斯已经超过20年了，认识哈里斯是在澳大利亚参加杜莱特的潜水医学资格课程。当时，他们俩也都在皇家阿德莱德医院的高压医学科工作。哈里斯想要在洞穴潜水方面变得更高级，而杜莱特则是一位资深的技术洞穴潜水员。

即使在氢气工作组开始会议之前，杜莱特就知道哈里斯在考虑用氢气潜水。“我知道有些计划正在进行，”杜莱特告诉我。“这对一些研讨会的人来说可能是个惊喜，但对我来说不是……我知道这不是理论上的。”

但是杜莱特觉得，在深洞潜水中测试氢气风险太大。“有一个整个的氢气行业——他们的做法是避免氢气和氧气靠近彼此。所以当你不得不将它们混合在一起时——嗯，甚至真的没有程序，”他说。“我当然认为这是鲁莽的行为。”

斯通也对这次探险持怀疑态度——他说，对于任何超过200米的潜水，应该首先测试概念。“我做这个已经很长时间了，我有很多死去的朋友，”他说。

“我们正在进入机器人不再是科幻小说的领域，”他继续说。“这是硬件，这是软件——我们正在做。它完美吗？不。但还有几年时间。我们接近进行比人类最长潜水还要长时间的潜水，而且有了千米深度等级，它将远远超出即使是氢气潜水。”

作为一名潜水员，杜莱特说，他理解想要去别人没去过的地方：“洞穴潜水员和其他探险者为了乐趣而探索。机器人不会得到那种感觉。”他说，另一个吸引人的地方是解决洞穴走向的谜题以及如何跟随它。当你最终进入水中时，世界的其他部分都消失了。

氢气潜水几周后，哈里斯向氢气工作组做了一个报告，为“偷偷摸摸地做事”道歉。他以一个警告结束：n = 1。“意味着它成功了一次，”他说。当PPT结束时，小组鼓掌。“哈里，你可以在最后一张幻灯片上加上点东西，”杜莱特说。“生存的概率大于零。”

当杜莱特得知哈里斯成功返回水面时，他感到如释重负。“我认识到这是一次相当开创性、重大的潜水，”他告诉我。“我不理解为了深入而深入的目的，但如果你对探险项目充满热情，而且它涉及追求探索和发现的洞穴潜水，那么这就是你要做的。”

“总有一点点进一步的诱惑。这就是我们做这些事情的原因，”查伦告诉我。“我们的性格中有这种缺陷，驱使我们再向前推进一点点。”

原文信息

遇见那些试图弄清楚人类能潜多深的潜水者 | 麻省理工科技评论

作者：萨曼莎·舒伊勒（Samantha Schuyler）是一位居住在纽约的作家、编辑和事实核查员。