Schrauben, die zum Absturz des Tauchboots Titan geführt haben könnten

Die Schrauben, mit denen das Display am Rumpf der Titan befestigt ist, könnten dazu führen, dass die Kohlefaserhülle allmählich schwächer wird und unter Wasser zerdrückt wird, wenn sie eine bestimmte Schwelle erreicht, sagen Experten.

Die Tragödie um das Tauchboot Titan, das am 23. Juni auf dem Grund des Atlantischen Ozeans zerschellte, hat die Aufmerksamkeit von Medien und Experten auf sich gezogen. Neben Kommentaren über Konstruktionsfehler, Strukturfehler oder zu tiefes Tauchen der Titan wurde von Experten auch die Hypothese eines Materialversagens aufgestellt.

Es gibt Berichte, wonach der Hersteller OceanGate die Titan eigenmächtig von einem wissenschaftlichen Fernerkundungsschiff zu einem Passagierkreuzfahrtschiff umgebaut hat. Von OceanGate veröffentlichte Bilder des Bauprozesses zeigen, dass das Unternehmen zwei Bildschirme direkt mit dem Rumpf verschraubt hat, der außen mit Kohlefaser verkleidet ist, wie CEO Stockton Rush einst ankündigte.

Im Einführungsvideo zum Titan-Tauchboot sind zwei am Rumpf verschraubte und von Hand zusammengefügte Bildschirme (oben) zu sehen. Foto: OceanGate

Dies ist ein Tabu, da Kohlefaser fünfmal stärker als Stahl, aber sehr spröde ist. Oft wird sie mit Harzkleber vermischt, um an der Oberfläche des zu beschichtenden Materials zu haften. Bei diesem Beschichtungsprozess werden Schichten übereinander aufgetragen, ähnlich wie beim Kleben von Papierschichten mit Klebstoff.

Die Kohlefaserstruktur wäre also keine reine monolithische Platte, sondern ein Verbundwerkstoff aus Kohlefaser und Harz. OceanGate verwendete in einem 2021 erteilten Patent den Namen „Kohlefaserverbundwerkstoff“ für dieses Material.

Da es sich um einen Verbundwerkstoff handelt, weist die Kohlefaserstruktur mikroskopisch kleine Hohlräume auf, die das Harz nicht füllen kann. OceanGate gibt an, dass die Hohlraumquote weniger als 1 % beträgt, dieser Wert ist jedoch nicht konkret angegeben. Der Unterschied zwischen einer Hohlraumquote von 0,99 % und 0,0000000000001 % kann enorme Auswirkungen auf die gesamte Strukturstruktur sowie die Bruchrate des Materials haben.

Durch das Bohren und Anschrauben des Bildschirms am Rumpf entstehen kleine Risse in der Verbundoberfläche im Inneren. Nach vielen Tauchgängen zum Wrack der Titanic in einer Tiefe von 3.800 m steht der Rumpf der Titan über lange Zeit hinweg ständig unter großem Druck, wodurch sich die Risse so schnell ausbreiten wie zerbrochenes Glas.

Dieses Phänomen lässt sich mit dem Bild eines Gletschers vergleichen, in dessen Oberfläche sich ein Loch befindet. Der Riss ist zunächst klein, doch nach und nach, wenn lange genug mit ausreichender Kraft gehämmert wird, spaltet sich ein Hunderte von Metern breiter Block auf, wodurch ein großer Eisblock bricht.

Kohlefaser ist für ihre Festigkeit bekannt, doch nicht die Druckfestigkeit ist entscheidend, um dem Druck am Meeresboden standzuhalten, sondern die Zugfestigkeit, die verhindert, dass sich der Rahmen dehnt und bricht.

Verbundkohlenstofffasern reißen langsamer als reine Kohlenstofffasern. Der Rissprozess erfolgt schleichend. Die Strukturrisse sind zu klein, um von außen erkannt zu werden. Die Rissrate innerhalb derselben Kohlenstofffaserschicht nimmt von Schicht zu Schicht zu, sodass die Risse allmählich größer werden, bis die innerste Struktur extrem schwach ist.

Wenn alle Bedingungen erfüllt sind, genügt eine leichte Kollision, ein rutschender Stoß mit einem beliebigen Objekt auf dem Meeresboden, um einen schrecklichen Zusammenbruch des Tauchboots Titan zu verursachen, bei dem fünf Menschen an Bord ums Leben kommen.

In diesem Fall würde die Struktur aus Kohlefaserverbundwerkstoff plötzlich zerbröckeln, obwohl die vorherigen Flüge normal verlaufen waren. Dies erklärt, warum Titans vorherige Flüge normal verliefen, die letzte Reise am 18. Juni jedoch die Grenze ihrer Belastbarkeit erreichte.

Auch wenn zwischen dem Titanrumpf und der Außenschale aus Kohlefaserverbundwerkstoff ein gewisser Abstand besteht, damit die Schraubenlöcher keine Risse verursachen, besteht durch das Bohren in den Titanrumpf des Schiffes auch die Möglichkeit, dass sich schneller Rost auf dem Metall bildet.

Titan ist weniger rostanfällig als Eisen und Kupfer, die Farbe des Rumpfes ist jedoch nicht reines Titan, sondern ähnelt eher einer Titanlegierung, wie OceanGate wirbt, oder einem harten Stahlmaterial, ähnlich dem, das die US-Marine für U-Boote verwendet.

Der Prozess des Umwickelns des Rumpfes der Titan mit Kohlefaser. Quelle: OceanGate

OceanGate könnte für den Rumpf eine Legierung anstelle von reinem Titan verwenden. Das würde zwar die Herstellungskosten senken, den Rumpf aber auch anfälliger für Rost machen. In diesem Fall würden die Bolzen immer zuerst rosten, was zu einer Ausbreitung und Schwächung der umgebenden Struktur führen könnte.

Der Rumpf der OceanGate wurde vermutlich mit zusätzlichen Schrauben versehen, da das Schiff für den Transport von Touristen umgebaut wurde und zusätzliche Beobachtungsgeräte installiert werden mussten. Außerdem waren die Rahmenschweißnähte an den Türen recht grob und ohne zusätzlichen Rost- oder Korrosionsschutz, ähnlich wie die Fenster eines heimischen Balkons.

In der Werkstofftechnik ist die Unterseite der Schweißnaht aufgrund des Kontakts von mindestens zwei verschiedenen Materialien am anfälligsten für Rost und Strukturschäden.

Das Risiko dieser Methode ist sogar noch höher als bei der Schraubmethode. Die Schweißnaht kann eine metallische Bindung aufweisen, die bei hoher Luftfeuchtigkeit zu schneller Rostbildung durch elektrochemische Korrosion führt. Um das Risiko zu begrenzen, kann der Hersteller diese Schweißnähte mit einer dünnen, abrieb- und korrosionsbeständigen Schicht überziehen, um Material und Struktur vor Umwelteinflüssen zu schützen. Es gibt jedoch keine Hinweise darauf, dass OceanGate diese Sicherheitsmaßnahme umgesetzt hat.

Das Titan-Design aus dem ursprünglichen OceanGate-Patent zeigt, dass das Schiff auf dem Tiefseetauchboot Alvin DSV der ersten Generation basiert, das noch heute im Einsatz ist. Anstatt die traditionelle Kugelform zu verwenden, um die Druckfestigkeit aus allen Richtungen zu optimieren, baute Herr Rush die Titan in eine Röhre um, um mehr Passagiere unterzubringen.

Die beiden Seiten des Gefäßes bestehen aus Titan, während der zentrale zylindrische Rahmen mit etwa 13 cm dicken Schichten aus Kohlefaser umwickelt ist. Der zentrale Zylinder ist so konstruiert, dass er die Hauptkraft trägt, während in diesem Bereich Schrauben und Schweißnähte eingesetzt wurden.

Das Design des OceanGate-Tauchboots zeichnet sich durch zwei Enden und einen Ring aus Titan aus, der die Verbindungsstelle verstärkt. Grafik: Oceanliner Designs

Die 13 Zentimeter dicke Kohlenstoffbeschichtung trägt zwar dazu bei, die Widerstandsfähigkeit des Schiffes gegen äußeren Druck zu erhöhen, erhöht aber unbeabsichtigt auch dessen Sprödigkeit und erschwert die Erkennung kleinster Risse innerhalb der Schichtstruktur.

Die Verbindungen zwischen dem Rohrkörper und dem Titankopf und -schwanz werden nicht aus einer einzigen Charge 3D-gedruckt, sondern mithilfe eines Dichtungsmechanismus verschweißt, wodurch das Risiko einer Schwächung des mechanischen Rahmens besteht. Die Gesamtstruktur ist aufgrund der Verwendung vieler verschiedener Materialien, darunter Kohlefaser, Titan und Acrylglas, sehr schwach. Jedes Material weist in derselben Umgebung eine unterschiedliche Festigkeit, Ausdehnung und Sprödigkeit auf.

Dies ist auch der Grund, warum die 3D-Drucktechnologie für die Herstellung von Raumfahrzeugkörpern bevorzugt wird, obwohl sie um ein Vielfaches teurer ist als die Montagemethode. Mit dieser Technologie benötigen Hersteller nur einen 3D-Druck, um ein komplettes Produkt zu erhalten, unabhängig von der Komplexität des Designs. Schweißen oder Schrauben sind nicht erforderlich, was dazu beiträgt, das Risiko für die Gesamtstruktur zu reduzieren.

OceanGate erwähnt in seinem Patent, dass das Tauchboot Titan bei einem Druck von 5.000 bis 6.000 psi (400-facher Atmosphärendruck) sicher getestet wurde. Dieser Testdruck entspricht dem Druck, dem das Tauchboot in einer Tiefe von 4.000 Metern ausgesetzt wäre.

Im Hinblick auf die Sicherheitsbewertung ist dies jedoch ein äußerst schwerwiegender Fehler. Der Hersteller muss sicherstellen, dass das Produkt Bedingungen standhält, die um ein Vielfaches härter sind als im regulären Einsatz. OceanGate hätte sicherstellen müssen, dass die Titan einem Druck von mindestens 8.000 bis 10.000 psi standhält, bevor sie den regulären Betrieb bei 6.000 psi zulässt, anstatt ihr den Transport von Touristen mit dem laut Testergebnissen maximalen Druck zu erlauben.

Die Marketingtaktiken von OceanGate für die Titan und seine Expeditionskreuzfahrtpakete haben auch Fragen darüber aufgeworfen, ob Sicherheitsinspektionen nach internationalen Standards durchgeführt wurden.

Trümmer des Tauchboots Titan wurden am 28. Juni in den Hafen von Saint John, Kanada, gebracht. Foto: AP

OceanGate behauptet, sein Tauchboot sei so neu, dass es die üblichen Sicherheitsstandards übertreffe und von keiner Behörde geprüft werden könne. Andererseits verwendet OceanGate in seinem Patent das unbewiesene Konzept „Titanlegierung – Kohlefaser“, anstatt das Material klar als „Titanlegierung“ und nicht als reines Titan-Kohlefaser-Komposit und nicht als reine Kohlefaser zu definieren.

Tatsächlich können Hersteller neue Materialien verwenden, die stärker, haltbarer und härter sind, müssen aber stets über den Mindestsicherheitsstandards liegen. Bei Renovierungen in Eigenregie und der Festlegung eigener Sicherheitsstandards besteht immer das Risiko von Unfällen.

Der Artikel gibt die Ansichten des Autors Dang Nhat Minh wieder, der derzeit Doktorand am Australian Research Council Centre for Advanced Surface Engineering of Materials (ARC SEAM) an der Swinburne University of Technology in Melbourne ist.

Dang Nhat Minh

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