타이탄 잠수정 추락의 원인이 될 수 있는 나사

전문가들은 타이탄 선체에 디스플레이를 고정하는 나사로 인해 탄소 섬유 껍질이 점차 약해지고 한계점에 도달하면 바다 밑으로 으스러질 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 우주선의 너무 깊은 잠수에 대한 의견 외에도 재료에 의한 파손 가설(재료 파손)도 제기했습니다.

많은 정보 출처에 따르면, 제조사인 OceanGate가 타이탄 우주선을 과학적 원격 감지 목적에서 유인 관광으로 임의로 개조했다고 합니다. OceanGate가 공개한 선박 건조 사진에는 두 개의 디스플레이 화면이 선체에 직접 볼트로 고정되어 있으며, Stockton Rush CEO가 광고한 대로 선체 외부는 탄소 섬유로 덮여 있습니다.

두 개의 디스플레이는 선체에 볼트로 고정되어 있으며 타이탄 잠수정 소개 영상에서 볼 수 있듯이 타이탄에서 손으로 연결됩니다(위). 사진: OceanGate

이는 탄소 섬유가 강철보다 5배나 강하지만 매우 부서지기 쉽기 때문에 금기시되는 사항입니다. 종종 수지 접착제와 섞어서 덮을 재료 표면에 붙입니다. 이러한 적층 공정은 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.

합성물이기 때문에 이 탄소 섬유 구조에는 수지로 채울 수 없는 미세한 틈이 많이 있습니다. OceanGate는 공실률이 1% 미만이라고 밝혔지만 구체적인 수치는 공개되지 않았습니다. 공극률 0.99%와 0.0000000000001%의 차이는 전체 구조 프레임과 재료의 붕괴 속도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

선체에 스크린을 뚫고 볼트로 고정하는 방법으로 인해 내부 합성 표면에 작은 균열이 발생합니다. 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 퍼졌습니다.

이 현상은 표면에 구멍이 난 빙하의 모습과 비교될 수 ​​있습니다. 균열은 처음에는 작지만, 충분히 오랫동안 망치질을 하고 충분한 힘을 가하면 점차적으로 수백 미터 크기의 얼음 덩어리가 갈라지고, 결국 큰 얼음 덩어리가 갈라지게 됩니다.

탄소 섬유는 강도가 뛰어난 것으로 알려져 있지만, 바다 밑의 압력을 견디는 데 중요한 것은 압축 강도가 아니라 프레임이 늘어나거나 끊어지는 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 내에서도 균열이 발생하는 속도는 층마다 증가하므로 균열은 점점 더 커지고 결국 가장 안쪽의 구조가 극도로 약해집니다.

모든 조건이 충족되면, 바다 바닥에 있는 어떤 물체와 살짝 부딪히거나 밀리는 것만으로도 타이탄 잠수정이 끔찍하게 붕괴되어 탑승객 5명이 사망할 수 있습니다.

그렇게 되면 탄소섬유 복합재 구조는 이전에는 이상이 없었더라도 갑자기 무너지게 됩니다. 이는 타이탄의 이전 항해가 평범했지만, 6월 18일의 마지막 항해에서 배가 한계에 도달한 이유를 설명합니다.

티타늄 선체와 탄소섬유 복합재 외피 사이에 일정 간격이 있어서 나사 구멍으로 인해 균열이 생기지 않더라도, 선박의 티타늄 선체에 구멍을 뚫으면 금속에 녹이 더 빨리 생길 수 있는 가능성도 생깁니다.

티타늄은 철과 구리보다 녹이 슬기 쉽지만, 선체의 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 수 있지만, 녹이 슬기 쉽게 만들 수도 있습니다. 그런 경우, 나사가 있는 위치는 항상 가장 먼저 녹이 슬기 쉬운 곳이 되어 주변 구조물로 녹이 퍼지고 약해질 위험이 있습니다.

OceanGate는 관광객을 수송하기 위해 개조 중이었고 관측 장비를 더 설치해야 했기 때문에 선체에 나사를 더 추가해야 했을 가능성이 큽니다. 또한 문 쪽에는 추가적인 녹 방지 및 마모 방지 코팅이 되어 있지 않고, 집 발코니에 창문을 설치하는 디자인과 비슷하게 꽤 거친 프레임 용접이 있습니다.

재료 기술에서 용접부의 아랫면은 적어도 두 가지 이상의 서로 다른 재료가 접촉하기 때문에 녹이 슬거나 구조적으로 악화될 가능성이 가장 높습니다.

이 방법은 나사 방법보다 위험성이 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 OceanGate가 이러한 안전 조치를 시행했다는 증거는 없습니다.

OceanGate 특허의 원래 Titan 잠수정 설계는 이 선박이 오늘날에도 여전히 사용되고 있는 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, 더 많은 승객을 태울 수 있도록 타이탄 잠수정을 튜브 모양으로 개조했습니다.

항아리의 양쪽 면은 티타늄으로 만들어졌고, 가운데의 원통형 프레임은 약 13cm 두께의 여러 겹의 탄소 섬유로 감싸져 있습니다. 이 설계에서 중앙 실린더 블록은 주요 하중 지지 영역이 되지만, 이 영역에는 볼트와 용접 조치가 적용되었습니다.

OceanGate 잠수정의 디자인은 티타늄으로 만들어진 연결 지점을 강화한 두 개의 항아리와 링을 특징으로 합니다. 그래픽: Oceanliner Designs

두께 13cm의 탄소 코팅은 선박이 외부 압력에 대한 저항력을 높이는 데 도움이 되지만, 의도치 않게 취성을 증가시키고 층 구조 내부의 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, 아크릴 유리 등 다양한 소재를 결합해 만들었기 때문에 전체적인 구조는 매우 약할 것입니다. 각 재료는 동일한 환경에서도 강도, 팽창률, 취성이 다릅니다.

비용이 조립 방법보다 몇 배나 더 많이 들더라도 3D 프린팅 기술이 우주선 본체를 제조하는 데 선호되는 이유도 여기에 있습니다. 이 기술을 사용하면 제조업체는 아무리 복잡한 디자인이라도 용접이나 나사를 사용하지 않고도 완전한 제품을 한 번만 3D로 인쇄하면 되므로 전체 구조에 대한 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.

OceanGate는 자사의 특허에서 타이탄 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 가혹한 환경에서도 제품이 견딜 수 있도록 보장할 책임이 있습니다. OceanGate는 테스트 결과에 따르면 최대 압력으로 관광객을 수송하도록 허용하는 대신, Titan이 6,000psi에서 정상적으로 작동하도록 허용하기 전에 최소 8,000~10,000psi의 압력을 견딜 수 있는지 확인해야 했습니다.

OceanGate의 Titan 및 탐험 크루즈 패키지에 대한 마케팅 전략은 국제 표준에 따라 안전 검사를 실시했는지에 대한 의문을 제기했습니다.

타이탄 잠수정 잔해는 6월 28일 캐나다 세인트존 항구로 옮겨졌습니다. 사진: AP

OceanGate는 자사의 잠수정 제품이 너무 새롭기 때문에 기존의 안전 기준을 뛰어넘어 어떤 기관의 검사도 받을 수 없다고 주장했습니다. 반면 OceanGate는 특허에서 "티타늄 합금-탄소 섬유"라는 검증되지 않은 개념을 사용하면서, 순수한 탄소 섬유가 아닌 순수한 티타늄과 탄소 섬유 복합재라는 "티타늄 합금"이라는 명확한 정의를 내리지 않았습니다.

사실, 제조업체는 더 강하고, 더 내구성이 뛰어나고, 더 단단한 신소재를 사용할 수 있지만 항상 최소한 이상의 안전 기준을 보장해야 합니다. DIY를 하면서 스스로 안전 기준을 정하는 것은 항상 사고를 일으킬 위험을 수반합니다.

본 기사는 현재 멜버른 스윈번 공과대학 산하 호주 연구 위원회 첨단 표면 공학 센터(ARC SEAM)에서 박사 학위를 취득하고 있는 저자 당 낫 민(Dang Nhat Minh)의 견해를 대변합니다.

당 낫 민

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