Skruer som kunne ha forårsaket at Titan-undervannsfartøyet styrtet

Skruene som fester skjermen til Titans skrog kan føre til at karbonfiberskallet gradvis svekkes og knuses under vann når det når en terskel, sier eksperter.

Tragedien med at Titan-ubåten ble knust på bunnen av Atlanterhavet 23. juni har vakt oppmerksomhet fra både media og eksperter. I tillegg til kommentarene om designfeil, strukturelle feil eller at Titan har dykket for dypt, har eksperter også reist hypotesen om materialfeil (materialsvikt).

Det finnes rapporter om at produsenten OceanGate vilkårlig har konvertert Titan fra et vitenskapelig fjernmålingsfartøy til et passasjercruiseskip. Bilder av byggeprosessen som OceanGate har offentliggjort viser at selskapet har boltet to skjermer direkte til skroget, som er dekket av karbonfiber på utsiden, slik administrerende direktør Stockton Rush en gang annonserte.

To skjermer boltet til skroget og håndskjøtet (over) i Titan vises i introduksjonsvideoen til Titan-undervannsfartøyet. Foto: OceanGate

Dette er tabu fordi karbonfiber er 5 ganger sterkere enn stål, men veldig sprøtt, ofte blandet med harpikslim for å feste seg til overflaten av materialet som skal dekkes. Denne belegningsprosessen lages ved å legge hvert lag oppå hverandre, på samme måte som å lime lag med papir med lim.

Karbonfiberstrukturen ville derfor ikke være en ren monolittisk plate, men en kompositt av karbonfiber og harpiks. OceanGate brukte navnet «karbonfiberkompositt» for dette materialet i et patent innvilget i 2021.

Fordi det er en kompositt, er det mikroskopiske hulrom i karbonfiberstrukturen som harpiksen ikke kan fylle. OceanGate sier at hulromsforholdet er mindre enn 1 %, men dette tallet er ikke spesifikt spesifisert. Forskjellen mellom et hulromsforhold på 0,99 % og 0,00000000000001 % kan ha stor innvirkning på det overordnede strukturelle rammeverket, så vel som materialets bruddrate.

Metoden med å bore og skru skjermen fast på skroget vil skape små sprekker i komposittoverflaten på innsiden. Etter mange dykk for å besøke Titanic-vraket på 3800 m dyp, er Titans skrog konstant under stort press i lang tid, noe som fører til at sprekkene sprer seg like raskt som knust glass.

Dette fenomenet kan sammenlignes med bildet av en isbre med et hull i overflaten. Sprekken er i utgangspunktet liten, men gradvis, etter hvert lange nok slag med nok kraft, vil den føre til at en blokk på hundrevis av meter sprekker opp, noe som fører til at en stor isblokk sprekker.

Karbonfiber er kjent for sin styrke, men det er ikke trykkfastheten som er nøkkelen til å motstå trykket på havbunnen, men strekkfastheten som hindrer rammen i å strekke seg og brekke.

Komposittkarbonfiber sprekker saktere enn ren karbonfiber, noe som fører til at sprekkprosessen skjer gradvis. De strukturelle sprekkene er for små til å oppdages fra utsiden. Sprekkhastigheten i det samme laget med karbonfiber vil øke fra lag til lag, slik at sprekkene gradvis vil vokse, inntil den innerste strukturen er ekstremt svak.

Når alle betingelser er oppfylt, er bare en liten kollisjon, et glidende dytt med en hvilken som helst gjenstand på havbunnen, nok til å forårsake et forferdelig kollaps av Titan-ubåten, som tar livet av fem personer om bord.

I så fall ville karbonfiberkomposittstrukturen plutselig smuldre opp, selv om tidligere reiser hadde vært normale. Dette forklarer hvorfor Titans tidligere reiser var normale, men den siste reisen 18. juni var da romfartøyet nådde bristepunktet.

Selv om det er et visst mellomrom mellom titanskroget og det ytre skallet av karbonfiberkompositt, slik at skruehullene ikke forårsaker sprekker, skaper boring i skipets titanskrog også en mulighet for at rust på metallet oppstår raskere.

Titan er mindre utsatt for rust enn jern og kobber, men fargen på skroget er ikke ren titan, men mer som en titanlegering slik OceanGate annonserer, eller et hardt stålmateriale som ligner på den amerikanske marinens bruk til ubåter.

Prosessen med å pakke karbonfiber rundt skroget til Titan. Kilde: OceanGate

OceanGate kunne bruke en legering i stedet for rent titan til å lage skroget, noe som ville redusere produksjonskostnadene, men også gjøre det mer utsatt for rust. I så fall ville boltene alltid være de første som rustet, noe som ville føre til risiko for spredning og svekkelse av den omkringliggende strukturen.

OceanGate fikk sannsynligvis ekstra skruer på skroget, ettersom det ble ombygd for å frakte turister og trengte å installere mer observasjonsutstyr. I tillegg var sveisingene på dørene ganske grove, uten ekstra rust- eller korrosjonsbeskyttelse, i likhet med utformingen av vinduene på en balkong.

Innen materialteknologi er undersiden av sveisen mest utsatt for rust og strukturell forringelse på grunn av kontakt mellom minst to forskjellige materialer.

Risikoen med denne metoden er enda høyere enn med bolting. Sveisen kan ha en metallisk binding som fører til rask rustspredning på grunn av elektrokjemisk korrosjon ved eksponering for høy luftfuktighet. For å begrense risikoen kan produsenten dekke disse sveisene med en tynn slitasje- og korrosjonsbestandig film for å beskytte materialet og strukturen under miljømessige eksponeringsforhold, men det finnes ingen bevis for at OceanGate har implementert dette sikkerhetstiltaket.

Titan-designet fra det originale OceanGate-patentet viser at fartøyet er basert på den første generasjonen Alvin DSV dyphavs-undervannsfartøy, som fortsatt er i bruk i dag. I stedet for å bruke den tradisjonelle sfæriske formen for å optimalisere evnen til å motstå trykk fra alle retninger, konverterte Mr. Rush Titan til et rør for å få plass til flere passasjerer.

De to sidene av krukken er laget av titan, mens den sentrale sylindriske rammen er pakket inn i lag med karbonfiber som er omtrent 13 cm tykke. Den sentrale sylinderen er designet for å bære hovedkraften, og det er i dette området som er grepet inn med bolting og sveising.

Designet til OceanGate-nedsenkbare har to ender og en ring av titan som forsterker tilkoblingspunktet. Grafikk: Oceanliner Designs

Det 13 cm tykke karbonbelegget kan kanskje hjelpe skipet med å øke motstanden mot ytre trykk, men det øker også utilsiktet sprøheten og gjør det vanskeligere å observere svært små sprekker inne i lagstrukturen.

Skjøtene mellom rørlegemet og titanhodet og -halen er ikke 3D-printet fra ett enkelt parti, men sveiset sammen ved hjelp av en tetningsmekanisme, noe som skaper en risiko for å svekke den mekaniske rammen. Den overordnede strukturen er svært svak på grunn av bruken av mange forskjellige materialer, inkludert karbonfiber, titan og akrylglass. Hvert materiale har ulik styrke, ekspansjon og sprøhet i samme miljø.

Dette er også grunnen til at 3D-printingsteknologi er foretrukket for produksjon av romfartøykropper, selv om det er mange ganger dyrere enn monteringsmetoden. Med denne teknologien trenger produsenter bare å 3D-printe én gang for å få et komplett produkt, uansett hvor kompleks designet er, uten sveising eller bolting, noe som bidrar til å redusere risikoen for den totale strukturen.

I patentet sitt nevner OceanGate at de har testet Titan-undervannsfartøyet trygt ved trykk på 5000–6000 psi (400 ganger atmosfæretrykk). Dette testtrykket tilsvarer trykket undervannsfartøyet ville stå overfor på 4000 meters dyp.

Men når det gjelder sikkerhetsvurderingsprosessen, er dette en ekstremt alvorlig feil. Produsenten har et ansvar for å sørge for at produktet tåler forhold som er mange ganger strengere enn de som er ved vanlig bruk. OceanGate burde ha sørget for at Titan kunne tåle et trykk på minst 8 000–10 000 psi før de lot den operere regelmessig ved 6 000 psi, i stedet for å la den frakte turister på maksimalt nivå i henhold til testresultatene.

OceanGates markedsføringstaktikk for Titan og ekspedisjonscruisepakkene har også reist spørsmål om hvorvidt sikkerhetsinspeksjoner har blitt utført i henhold til internasjonale standarder.

Avfall fra ubåten Titan ble brakt til Saint John havn i Canada 28. juni. Foto: AP

OceanGate har hevdet at undervannsfartøyet deres er så nytt at det overgår vanlige sikkerhetsstandarder og ikke kan inspiseres av noen etat. På den annen side bruker OceanGate det uprøvde konseptet «titanlegering - karbonfiber» i patentet sitt, i stedet for å tydelig definere materialet som «titanlegering» og ikke ren titan- og karbonfiberkompositt og ikke ren karbonfiber.

Faktisk kan produsenter bruke nye materialer som er sterkere, mer holdbare og hardere, men de må alltid sørge for sikkerhetsstandarder over minimum. Gjør-det-selv-renovering og å sette dine egne sikkerhetsstandarder har alltid potensial til å forårsake ulykker.

Artikkelen representerer synspunktene til forfatter Dang Nhat Minh, som for tiden er doktorgradskandidat ved Australian Research Council Centre for Advanced Surface Engineering of Materials (ARC SEAM), basert ved Swinburne University of Technology i Melbourne.

Dang Nhat Minh

Kildekobling: https://vnexpress.net/nhung-con-vit-co-the-khien-tau-lan-titan-gap-nan-4627263.html