타이탄 잠수정 추락의 원인이 될 수 있는 나사

전문가들은 타이탄 선체에 디스플레이를 고정하는 나사로 인해 탄소 섬유 껍질이 점차 약해지고 한계점에 도달하면 바다 밑으로 으깨질 수 있다고 말합니다.

6월 23일 대서양 해저에서 타이탄 잠수정이 좌초된 비극은 언론과 전문가들의 관심을 끌었습니다. 설계 오류, 구조적 결함, 또는 타이탄의 과다 잠수에 대한 언급 외에도, 전문가들은 재료(Materials Failure)로 인한 파손 가설을 제기했습니다.

제조업체 OceanGate가 Titan을 과학 원격 탐사선에서 여객용 크루즈선으로 임의로 개조했다는 보도가 있습니다. OceanGate가 공개한 건조 과정 사진을 보면, 이 회사는 두 개의 디스플레이 화면을 선체에 직접 볼트로 고정했는데, 선체 외부는 Stockton Rush CEO가 한때 광고했던 것처럼 탄소 섬유로 덮여 있습니다.

타이탄 잠수정 소개 영상 에는 선체에 볼트로 고정되고 타이탄에 수작업으로 연결된 두 개의 스크린(위)이 나와 있습니다. 사진: OceanGate

탄소 섬유는 강철보다 5배 강하지만 매우 부서지기 쉽기 때문에 이는 금기시됩니다. 따라서 코팅할 소재 표면에 접착하기 위해 수지 접착제와 혼합하는 경우가 많습니다. 이 코팅 공정은 마치 종이 층을 접착제로 붙이는 것처럼 각 층을 서로 겹쳐서 만들어집니다.

따라서 탄소 섬유 구조는 순수한 단일 시트가 아니라 탄소 섬유와 수지의 복합재가 될 것입니다. OceanGate는 2021년에 취득한 특허에서 이 소재에 "탄소 섬유 복합재"라는 명칭을 사용했습니다.

복합재이기 때문에 탄소 섬유 구조에는 수지로 채울 수 없는 미세한 공극이 있습니다. OceanGate는 공극률이 1% 미만이라고 밝혔지만, 이 수치는 구체적으로 명시되어 있지 않습니다. 공극률 0.99%와 0.0000000000001%의 차이는 전체 구조적 틀과 재료의 파괴 ​​속도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

선체에 스크린을 뚫고 나사로 고정하는 방식은 내부 복합재 표면에 작은 균열을 발생시킵니다. 3,800m 깊이의 타이타닉호 난파선을 방문하기 위해 여러 차례 잠수한 후, 타이탄호의 선체는 오랫동안 끊임없이 강한 압력을 받아 균열이 깨진 유리처럼 빠르게 번지게 됩니다.

이 현상은 표면에 구멍이 난 빙하의 모습과 비슷합니다. 처음에는 작은 균열이지만, 시간이 흐르면서 충분한 힘으로 여러 번 두드려질 때마다 수백 미터 길이의 얼음 덩어리가 갈라지고, 결국 커다란 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 외부에서 감지하기에는 너무 작습니다. 탄소 섬유의 동일 층 내에서 균열 발생률은 층마다 증가하여 균열이 점차 커져 가장 안쪽 구조가 극도로 약해집니다.

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

이 경우, 탄소 섬유 복합재 구조는 이전 탐사가 정상적이었음에도 불구하고 갑자기 무너지게 됩니다. 이는 타이탄의 이전 탐사가 정상적이었던 이유를 설명하지만, 6월 18일의 마지막 탐사에서 우주선은 한계점에 도달했습니다.

티타늄 선체와 탄소 섬유 복합재 외피 사이에 어느 정도 간격이 있어서 나사 구멍으로 인해 균열이 생기지 않더라도, 선박의 티타늄 선체에 구멍을 뚫으면 금속에 녹이 더 빨리 생길 가능성이 있습니다.

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

오션게이트는 순수 티타늄 대신 합금을 사용하여 선체를 제작할 수 있는데, 이는 제조 비용을 절감할 수 있지만 녹이 슬기 쉽게 만듭니다. 이 경우 볼트 위치가 항상 가장 먼저 녹슬어 주변 구조물이 약화되고 손상될 위험이 있습니다.

오션게이트는 관광객 수송용으로 개조되면서 관측 장비를 추가로 설치해야 했기 때문에 선체에 나사가 추가로 장착되었을 가능성이 높습니다. 게다가 문의 프레임 용접은 상당히 거칠었고, 추가적인 녹이나 부식 방지 처리가 되어 있지 않아 마치 일반 주택 발코니 창문 디자인과 유사했습니다.

재료 기술에서 용접부의 아랫면은 적어도 두 가지 이상의 서로 다른 재료가 접촉하기 때문에 녹이 슬거나 구조적으로 악화되기 쉽습니다.

이 방법은 볼트 체결 방식보다 위험성이 훨씬 높습니다. 용접부에 금속 결합이 있어 습도가 높을 경우 전기화학적 부식으로 인해 녹이 빠르게 확산될 수 있습니다. 위험을 줄이기 위해 제조업체는 이러한 용접부에 얇은 내마모성 및 내식성 필름을 도포하여 환경 노출 조건에서 재료와 구조물을 보호할 수 있지만, OceanGate가 이러한 안전 조치를 시행했다는 증거는 없습니다.

OceanGate 특허의 최초 타이탄(Titan) 설계는 이 선박이 오늘날에도 여전히 사용되고 있는 1세대 Alvin DSV 심해 잠수정을 기반으로 한다는 것을 보여줍니다. 러시(Rush) 씨는 모든 방향의 압력을 견딜 수 있는 능력을 최적화하기 위해 기존의 구형을 사용하는 대신, 더 많은 승객을 수용할 수 있도록 타이탄을 튜브형으로 개조했습니다.

병의 양면은 티타늄으로 제작되었고, 중앙 원통형 프레임은 약 13cm 두께의 탄소 섬유 층으로 감싸져 있습니다. 중앙 원통은 주된 힘을 견디도록 설계되었으며, 이 부분은 볼트와 용접으로 고정되었습니다.

OceanGate 잠수정은 두 개의 끝부분과 연결 부위를 강화하는 티타늄 소재의 링으로 디자인되었습니다. 그래픽: Oceanliner Designs

13cm 두께의 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 3D 프린팅되지 않고 밀봉 메커니즘을 사용하여 용접되어 기계적 프레임이 약해질 위험이 있습니다. 탄소 섬유, 티타늄, 아크릴 유리 등 다양한 소재를 사용하기 때문에 전체 구조가 매우 취약합니다. 각 소재는 동일한 환경에서도 강도, 팽창률, 취성이 다릅니다.

이것이 바로 3D 프린팅 기술이 우주선 동체 제작에 선호되는 이유이기도 합니다. 조립 방식보다 몇 배나 비용이 많이 들지만 말입니다. 이 기술을 사용하면 제조업체는 아무리 복잡한 설계라도 용접이나 볼트 체결 없이 단 한 번의 3D 프린팅으로 완성품을 제작할 수 있어 전체 구조의 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.

OceanGate는 자사 특허에서 타이탄 잠수정을 5,000~6,000psi(대기압의 400배)의 압력에서 안전하게 시험했다고 언급합니다. 이 시험 압력은 잠수정이 수심 4,000m에서 받는 압력과 동일합니다.

하지만 안전성 평가 절차 측면에서 이는 매우 심각한 오류입니다. 제조업체는 제품이 일반적인 사용 조건보다 몇 배 더 가혹한 환경에서도 견딜 수 있도록 보장할 책임이 있습니다. OceanGate는 테스트 결과에 따라 최대 압력으로 관광객을 수송하는 대신, Titan이 6,000psi에서 정상적으로 작동하도록 허용하기 전에 최소 8,000~10,000psi의 압력을 견딜 수 있는지 확인해야 했습니다.

OceanGate의 Titan 및 탐험크루즈 패키지에 대한 마케팅 전략은 안전 검사가 국제 표준에 따라 수행되었는지에 대한 의문을 제기했습니다.

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

OceanGate는 자사 잠수정이 너무 최신이라 일반적인 안전 기준을 초과하여 어떤 기관의 검사도 받을 수 없다고 주장했습니다. 반면 OceanGate는 특허에서 "티타늄 합금-탄소 섬유"라는 검증되지 않은 개념을 사용하며, 해당 소재를 "티타늄 합금"으로 명확하게 정의하고 순수 티타늄-탄소 섬유 복합재 또는 순수 탄소 섬유로 정의하지 않았습니다.

실제로 제조업체는 더 강하고, 내구성이 뛰어나고, 단단한 신소재를 사용할 수 있지만, 항상 최소 기준 이상의 안전 기준을 충족해야 합니다. 직접 리모델링을 하고 자체 안전 기준을 설정하는 것은 사고를 유발할 가능성이 항상 있습니다.

본 기사는 현재 멜버른 스윈번 공과대학교 산하 호주 연구 위원회 첨단 표면 공학 센터(ARC SEAM)에서 박사 과정을 밟고 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