전문가들은 타이탄 선체에 디스플레이를 고정하는 나사로 인해 탄소 섬유 껍질이 점차 약해져 한계에 도달하면 바다 밑으로 으깨질 수 있다고 말합니다.
지난 6월 23일 대서양 해저에서 타이탄 잠수함이 침몰한 비극적인 사건은 언론과 전문가 모두의 관심을 끌었습니다. 전문가들은 설계 오류, 구조적 오류 또는 타이탄 우주선이 너무 깊이 잠수했다는 의견 외에도 재료에 의한 파손 가설(재료 파손)도 제기했습니다.
많은 정보 출처에 따르면, 제조사인 OceanGate가 타이탄 우주선을 과학적 원격 감지 목적에서 유인 관광 목적으로 임의로 개조했다고 합니다. OceanGate가 공개한 선박의 구조 사진에는 두 개의 디스플레이 화면이 선체에 직접 볼트로 고정되어 있으며, Stockton Rush CEO가 광고했듯이 선체의 외부는 탄소 섬유로 덮여 있습니다.
두 개의 디스플레이는 선체에 볼트로 고정되어 있으며, 타이탄 잠수정 소개 영상에서 볼 수 있듯이 타이탄에서 손으로 조인트로 연결되었습니다(위). 사진: OceanGate
이는 탄소 섬유가 강철보다 5배나 강하지만 매우 부서지기 쉽고, 종종 덮을 재료 표면에 붙이기 위해 수지 접착제와 섞기 때문에 금기시됩니다. 이러한 적층 공정은 마치 접착제로 종이 층을 붙이는 것과 비슷하게 층을 겹쳐서 만들어집니다.
따라서 탄소 섬유 구조는 순수한 일체형 시트가 아니라 수지와 탄소 섬유의 합성물이 됩니다. OceanGate는 2021년에 부여된 특허에서 해당 소재에 "탄소 섬유 복합재"라는 이름을 사용했습니다.
복합소재이기 때문에 탄소섬유 구조에는 수지로 채울 수 없는 미세한 틈새가 많이 있습니다. OceanGate는 공실률이 1% 미만이라고 밝혔지만 구체적인 수치는 밝히지 않았습니다. 공극률 0.99%와 0.0000000000001%의 차이는 전체 구조적 프레임과 재료의 붕괴 속도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
선체에 스크린을 뚫고 볼트로 고정하는 방법은 내부 합성 표면에 작은 균열을 발생시킵니다. 3,800m 깊이의 타이타닉 난파선을 방문하기 위해 여러 차례 다이빙을 시도했지만, 타이탄의 선체는 오랫동안 지속적으로 큰 압력을 받았고, 이로 인해 마치 깨진 유리처럼 균열이 빠르게 번졌습니다.
이 현상은 표면에 구멍이 난 빙하의 이미지와 비교될 수 있습니다. 균열은 처음에는 작지만 점차적으로 충분히 긴 망치질과 충분한 힘으로 수백 미터의 블록이 갈라져 큰 얼음 블록이 깨지게 됩니다.
탄소 섬유는 강도가 강한 것으로 알려져 있지만, 바다 밑바닥의 압력을 견디는 데 중요한 것은 압축 강도가 아니라 프레임이 늘어나거나 부러지는 것을 방지하는 인장 강도입니다.
복합 탄소 섬유는 순수 탄소 섬유보다 균열이 느리게 발생하여 균열 과정이 점진적으로 발생하고, 구조적 균열은 너무 작아서 외부에서 감지할 수 없습니다. 같은 탄소 섬유 층 내에서의 파괴율은 층마다 증가하므로 균열은 더욱 커지고 결국 가장 안쪽의 구조는 극도로 약해집니다.
모든 조건이 충족되면, 약간의 충돌, 즉 해저에 있는 어떤 물체와 미끄러져 밀리는 것만으로도 타이탄 잠수정이 끔찍하게 붕괴되어 탑승객 5명의 목숨을 앗아갈 수 있습니다.
그렇게 되면 이전에는 이상이 없었더라도 탄소섬유 복합재 구조는 갑자기 무너지게 됩니다. 이는 타이탄의 이전 항해가 평범한 편이었지만, 6월 18일의 마지막 항해에서 배가 한계에 도달한 이유를 설명합니다.
티타늄 선체와 탄소 섬유 복합재 외판 사이에 나사 구멍으로 인해 균열이 발생하지 않도록 어느 정도 간격이 있더라도, 선박의 티타늄 선체에 구멍을 뚫으면 금속에 녹이 더 빨리 발생할 수 있는 여지가 생깁니다.
티타늄은 철과 구리보다 녹이 슬기 쉽지만, 선체 색상은 순수한 티타늄이 아니고 OceanGate가 광고하는 대로 티타늄 합금이나 미국 해군이 잠수함에 사용하는 것과 비슷한 단단한 강철 소재에 가깝습니다.
타이탄 선체에 탄소 섬유를 감는 과정. 출처: OceanGate
OceanGate는 순수 티타늄 대신 합금을 사용하여 선체를 만들어 제조 비용을 절감할 수도 있지만, 녹슬기 쉽게 만들 수도 있습니다. 이 경우 나사를 꽂은 위치는 항상 가장 먼저 녹이 슬기 쉽고, 이로 인해 녹이 퍼져 주변 구조물이 약해질 위험이 있습니다.
OceanGate는 관광객을 태우기 위해 개조 중이었고 더 많은 관측 장비를 설치해야 했기 때문에 선체에 더 많은 나사를 추가해야 했을 것입니다. 또한 문 쪽에는 추가적인 방청 및 마모 방지 코팅이 되어 있지 않고 프레임 용접 부분이 매우 거칠어서 집의 발코니에 창문을 설치하는 디자인과 비슷합니다.
재료기술에서 용접부의 아랫면은 적어도 두 가지 이상의 서로 다른 재료가 접촉하기 때문에 녹이 슬거나 구조적으로 열화되기 쉽습니다.
이 방법은 나사 방법보다 위험이 더 높습니다. 용접부는 높은 습도에 노출되면 전기화학적 부식으로 인해 녹이 빠르게 퍼지는 금속 결합이 있을 수 있습니다. 위험을 줄이기 위해 제조업체는 이러한 용접 부위에 얇은 마모 방지, 부식 방지 필름을 코팅하여 환경 노출 조건에서 재료와 구조물을 보호할 수 있지만 OceanGate에서 이러한 안전 조치를 시행했다는 증거는 없습니다.
OceanGate 특허의 원래 Titan 잠수정 설계는 이 선박이 오늘날에도 사용 중인 1세대 Alvin DSV 심해 잠수정을 기반으로 한다는 것을 보여줍니다. 러시 씨는 모든 방향에서 오는 압력을 견딜 수 있는 능력을 최적화하기 위해 기존의 구형 모양을 사용하는 대신, 타이탄 잠수정을 튜브 모양으로 바꾸어 더 많은 승객을 태울 수 있도록 했습니다.
항아리의 양쪽 면은 티타늄으로 만들어졌고, 가운데의 원통형 프레임은 약 13cm 두께의 탄소 섬유를 여러 겹으로 감쌌습니다. 이 설계에서 중앙 실린더 블록은 주요 하중 지지 영역이 되며, 이 영역에 볼트와 용접 조치가 적용됩니다.
OceanGate 잠수함의 디자인은 티타늄으로 만든 연결 지점을 강화한 두 개의 항아리와 링을 특징으로 합니다. 그래픽: Oceanliner Designs
13cm 두께의 탄소 코팅은 선박이 외부 압력에 대한 저항력을 높이는 데 도움이 되지만, 의도치 않게 취성을 높이고 층 구조 내부에 있는 아주 작은 균열을 관찰하기 어렵게 만듭니다.
튜브 본체와 티타늄 헤드 및 테일 사이의 접합부는 단일 배치에서 3D로 인쇄되지 않고, 밀봉 메커니즘을 사용하여 용접되어 기계적 프레임이 약해질 위험이 있습니다. 탄소섬유, 티타늄, 아크릴유리 등의 다양한 소재를 결합하여 만들었기 때문에 전체적인 구조가 매우 약할 것입니다. 각 재료는 동일한 환경에서도 강도, 팽창성, 취성이 다릅니다.
이는 3D 프린팅 기술이 조립 방법보다 몇 배나 더 비용이 많이 들더라도 우주선 본체를 제조하는 데 선호되는 이유이기도 합니다. 이 기술을 사용하면 제조업체는 설계가 아무리 복잡하더라도 용접이나 나사를 사용하지 않고도 완전한 제품을 한 번만 3D로 인쇄하면 되므로 전체 구조에 대한 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.
OceanGate는 자사의 특허에서 Titan 잠수정을 5,000~6,000psi(대기압보다 400배 높음)의 압력에서 안전하게 테스트했다고 언급했습니다. 이 시험 압력은 선박이 4,000m 깊이에서 받는 압력과 같습니다.
하지만 안전성 평가 과정에서 이는 매우 심각한 오류입니다. 제조업체는 일반적인 사용 시 예상되는 것보다 몇 배나 더 혹독한 환경에서도 제품이 견딜 수 있도록 보장할 책임이 있습니다. OceanGate는 테스트 결과에 따르면 최대 압력으로 관광객을 태울 수 있도록 허용하는 대신, Titan이 6,000psi에서 정상적으로 작동하도록 허용하기 전에 최소 8,000-10,000psi의 압력을 견딜 수 있는지 확인해야 했습니다.
OceanGate의 Titan 및 원정 크루즈 패키지에 대한 마케팅 전략은 국제 표준에 따라 안전 검사가 수행되었는지에 대한 의문을 제기했습니다.
타이탄 잠수정의 파편은 6월 28일 캐나다 세인트 존 항구로 옮겨졌습니다. 사진: AP
OceanGate는 자사의 잠수형 제품이 너무 새로워서 기존의 안전 기준을 뛰어넘었으며 어떤 기관의 검사도 받을 수 없다고 주장했습니다. 반면 OceanGate는 특허에서 재료를 "티타늄 합금"이라고 명확하게 정의하지 않고, 순수한 탄소 섬유가 아닌 순수한 티타늄과 탄소 섬유 복합재라고 정의하는 대신 "티타늄 합금-탄소 섬유"라는 입증되지 않은 개념을 사용했습니다.
실제로 제조업체는 더 강하고, 더 내구성이 뛰어나고, 더 단단한 신소재를 사용할 수 있지만 항상 최소 수준 이상의 안전 기준을 보장해야 합니다. DIY로 일을 하고 스스로 안전 기준을 정하는 것은 항상 사고를 일으킬 위험을 수반합니다.
본 기사는 현재 멜버른의 스윈번 기술대학에 소속된 호주 연구 위원회 첨단 표면 공학 센터(ARC SEAM)에서 박사 학위를 준비하고 있는 저자 Dang Nhat Minh의 견해를 대변합니다.
당 낫 민
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