Schrauben, die den Absturz des Tauchboots Titan verursacht 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 zerquetscht wird, wenn sie eine 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 Eintauchen 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 vom Schiffsbau 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 handgefügte 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. Dieser Beschichtungsprozess erfolgt durch das Übereinanderschichten, ähnlich dem Aufkleben von Papierschichten mit Klebstoff.

Die Kohlefaserstruktur wäre somit 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 unter 1 % liegt, diese Zahl wird jedoch nicht näher spezifiziert. 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 Verschrauben des Siebes mit dem Rumpf wären in der Verbundoberfläche im Inneren kleine Risse entstanden. Nach zahlreichen Tauchgängen zum Wrack der Titanic in 3.800 Metern Tiefe stand der Rumpf der Titan lange Zeit unter großem Druck, wodurch sich die Risse so schnell ausbreiteten 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, mit ausreichend langer Hämmerung und ausreichender Krafteinwirkung, spaltet sich ein Hunderte von Metern breiter Block auf, wodurch ein großer Eisblock bricht.

Kohlefaser ist für ihre Festigkeit bekannt, doch um dem Druck am Meeresboden standzuhalten, ist nicht die Druckfestigkeit entscheidend, 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 erkennbar zu sein. Die Rissbildung innerhalb derselben Kohlenstofffaserschicht nimmt von Schicht zu Schicht zu, sodass die Risse allmählich größer werden, bis die innerste Struktur extrem geschwächt ist.

Wenn alle Bedingungen erfüllt sind, genügt schon eine leichte Kollision, ein rutschiger Stoß mit einem beliebigen Gegenstand auf dem Meeresboden, um einen schrecklichen Zusammenbruch des Tauchboots Titan zu verursachen und dabei fünf Menschen an Bord das Leben zu kosten.

In diesem Fall würde die Kohlefaserverbundstruktur plötzlich zusammenbrechen, obwohl die vorherigen Flüge normal verlaufen waren. Dies erklärt, warum Titans vorherige Flüge normal verliefen, die letzte Reise am 18. Juni jedoch die Belastungsgrenze der Raumsonde erreichte.

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

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

Der Prozess der Ummantelung des Titan-Rumpfes 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 sie für den Transport von Touristen umgebaut wurde und umfangreiche Überwachungsgeräte benötigte. Zudem waren die Rahmenschweißnähte an den Türen recht grob und ohne zusätzliche Rost- oder Korrosionsschutzbeschichtung, ähnlich wie bei Fenstern auf einem heimischen Balkon.

In der Werkstofftechnik ist die Unterseite der Schweißnaht aufgrund des Kontakts von mindestens zwei unterschiedlichen 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 durch elektrochemische Korrosion zu schneller Rostausbreitung führt. Um das Risiko zu begrenzen, kann der Hersteller diese Schweißnähte mit einer dünnen, abrieb- und korrosionsbeständigen Folie überziehen, um Material und Struktur vor Umwelteinflüssen zu schützen. Es gibt jedoch keine Hinweise darauf, dass OceanGate diese Sicherheitsmaßnahme umgesetzt hat.

Das Design des Titan-Tauchboots 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 das Titan in eine Röhre um, um mehr Passagiere unterzubringen.

Die beiden Enden des Zylinders bestehen aus Titan, während der zentrale Zylinderrahmen mit mehreren, etwa 13 cm dicken Lagen Kohlefaser umwickelt ist. Der zentrale Zylinderblock ist bei dieser Konstruktion der Hauptlastbereich, da in diesem Bereich Schraub- und Schweißarbeiten durchgeführt 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 Körper, Kopf und Schwanz aus Titan 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 unterschiedlicher Materialien wie 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 Raumfahrzeugrümpfen 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 das Risiko für die Gesamtstruktur reduziert.

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 stellt dies jedoch einen äußerst schwerwiegenden Fehler dar. Der Hersteller ist dafür verantwortlich, 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 mit 6.000 psi zulässt, anstatt ihr gemäß den Testergebnissen den Transport von Touristen mit dem 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 werden am 28. Juni in den Hafen von Saint John, Kanada, gebracht. Foto: AP

OceanGate behauptet, sein Tauchboot sei so neu, dass es herkömmliche Sicherheitsstandards übertreffe und von keiner Behörde geprüft werden könne. Andererseits verwendet OceanGate in seinem Patent den unbewiesenen Begriff „Titanlegierung-Kohlefaser“, anstatt das Material klar als „Titanlegierung“ statt reines Titan und als Kohlefaserverbundwerkstoff statt reiner Kohlefaser zu definieren.

Hersteller können zwar neue Materialien verwenden, die stärker, haltbarer und härter sind, müssen aber stets über den Mindestanforderungen liegende Sicherheitsstandards gewährleisten. Selbstverbesserung und das Setzen eigener Sicherheitsstandards bergen 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