タイタン潜水艇の墜落の原因となった可能性のあるネジ

専門家らによると、ディスプレイをタイタンの船体に固定するネジのせいで、炭素繊維の殻が徐々に弱くなり、限界に達すると海中に押しつぶされてしまう可能性があるという。

6月23日、大西洋の海底で沈没したタイタン号の悲劇は、メディアと専門家の双方の注目を集めました。タイタン号の設計ミス、構造上の欠陥、あるいは潜水深度が深すぎたという指摘に加え、専門家からは材料の欠陥（Materials Failure）による破損説も提起されています。

製造元のオーシャンゲート社が、科学リモートセンシング船タイタンを旅客クルーズ船へと恣意的に改造したとの報道があります。オーシャンゲート社が公開した船体建造画像には、CEOのストックトン・ラッシュ氏がかつて宣伝していたように、外側がカーボンファイバーで覆われた船体に2つのディスプレイスクリーンを直接ボルトで固定している様子が見られます。

タイタン潜水艇の紹介ビデオでは、船体にボルトで固定され、手で接合された2つのスクリーン（上）がタイタンに紹介されています。写真：オーシャンゲート

これはタブーです。なぜなら、炭素繊維は鋼鉄の5倍の強度を持つものの、非常に脆いからです。そのため、被覆する素材の表面に接着するために、樹脂接着剤と混ぜて使用されることがよくあります。このコーティング工程は、紙を接着剤で何層にも重ねて貼り付けるのと同じように、層を重ねて作られます。

したがって、炭素繊維構造は純粋なモノリシックシートではなく、炭素繊維と樹脂の複合材料となります。オーシャンゲートは、2021年に取得した特許において、この材料を「炭素繊維複合材」と呼んでいます。

複合材料であるため、炭素繊維構造には樹脂では埋められない微細な空隙が存在します。OceanGate社は空隙率が1%未満であるとしていますが、具体的な数値は明示されていません。空隙率が0.99%と0.0000000000001%の違いは、構造全体のフレームワークだけでなく、材料の破壊率にも大きな影響を与える可能性があります。

船体にスクリーンを穴を開けてねじ止めする方法では、内部の複合材表面に小さな亀裂が生じていたはずです。水深3,800メートルのタイタニック号の残骸を何度も潜水して確認した後も、タイタンの船体は長時間にわたり継続的に大きな圧力を受けており、割れたガラスのように亀裂が急速に広がりました。

この現象は、表面に穴が開いた氷河のイメージに似ています。最初は小さな亀裂ですが、十分な長さのハンマーで叩き、十分な力を加えることで、数百メートルの氷塊が徐々に割れ、最終的には大きな氷の塊が割れることになります。

カーボンファイバーはその強度で知られていますが、海底の圧力に耐えるために重要なのは圧縮強度ではなく、フレームが伸びて壊れないようにする引張強度です。

複合炭素繊維は純粋な炭素繊維に比べてひび割れが遅く、ひび割れの進行は徐々に進行します。構造上のひび割れは外部からでは検知できないほど小さいため、ひび割れの進行速度は層を追うごとに速くなります。そのため、ひび割れは徐々に拡大し、最終的には最内部の構造が極めて脆弱になります。

すべての条件が満たされると、海底の物体とのわずかな衝突、つまり滑りによる押圧でも、タイタン潜水艇のひどい崩壊を引き起こし、乗船していた 5 人の命を奪うのに十分です。

その場合、以前の飛行では正常であったにもかかわらず、炭素繊維複合構造が突然崩壊することになります。これが、タイタンの以前の飛行は正常であったにもかかわらず、6月18日の最後の飛行で探査機が限界に達した理由を説明しています。

チタン船体と炭素繊維複合材の外殻との間に一定の隙間があり、ネジ穴に亀裂が生じないとしても、船のチタン船体に穴を開けることで、金属に錆がより早く発生する機会も生まれます。

チタンは鉄や銅よりも錆びにくいが、船体の色は純チタンではなく、オーシャンゲートが宣伝しているチタン合金、または米海軍が潜水艦に使用しているような硬質鋼素材に近い。

タイタンの船体にカーボンファイバーを巻き付ける工程。出典：オーシャンゲート

オーシャンゲートは、船体の製造に純チタンではなく合金を使用することで製造コストを削減できるが、同時に錆びやすくなってしまう。その場合、ボルトの位置が常に最初に錆び、錆が広がり周囲の構造を弱体化させるリスクが高まる。

オーシャンゲート号は観光客輸送用に改造され、大規模な監視装置が必要となったため、船体にネジが増設された可能性が高い。さらに、ドアのフレーム溶接部は非常に粗雑で、防錆・防食コーティングは施されておらず、まるで家庭のバルコニーに設置された窓のようなデザインだった。

材料技術では、溶接部の裏側は、少なくとも 2 つの異なる材料が接触するため、錆や構造劣化の影響を最も受けやすくなります。

この方法のリスクはボルト締め方法よりもさらに高くなります。溶接部には金属結合が存在する可能性があり、高湿度にさらされると電気化学的腐食により錆が急速に広がる可能性があります。リスクを軽減するために、メーカーはこれらの溶接部を薄い耐摩耗性・耐腐食性のフィルムで覆い、環境曝露条件下で材料と構造を保護することができますが、OceanGate社がこの安全対策を実施したという証拠はありません。

オーシャンゲート社の特許に記載されているタイタン潜水艇の設計を見ると、この船は現在も使用されている第一世代のアルビンDSV深海潜水艇をベースにしていることがわかります。ラッシュ氏は、あらゆる方向からの圧力に耐える能力を最適化するために従来の球形を採用する代わりに、より多くの乗客を収容できるようにタイタンをチューブ状に改造しました。

容器の両端はチタン製で、中央の円筒形フレームは約13cmの厚さの多層カーボンファイバーで包まれています。この設計によると、中央のシリンダーブロックが主な荷重支持部となり、この部分にボルト締めと溶接による補強が施されています。

オーシャンゲート潜水艇のデザインは、両端と、接続部を強化するチタン製のリングを特徴としています。画像：オーシャンライナーデザインズ

厚さ13センチの炭素コーティングは、船の外圧に対する耐性を高めるのに役立つかもしれないが、同時に脆さも増大させ、層構造内の非常に小さな亀裂を観察することを困難にする。

ボディとチタン製のヘッドとテールの接合部は、3Dプリントではなく、シーリング機構を用いて溶接されているため、機械フレームの強度低下のリスクがあります。カーボンファイバー、チタン、アクリルガラスといった異なる素材を使用しているため、全体的な構造は非常に脆弱です。それぞれの素材は、同じ環境下でも強度、膨張率、脆さが異なります。

組立方式に比べて何倍も高価ではあるものの、宇宙船の船体製造に3Dプリント技術が好まれるのも、この理由によるものです。この技術を用いれば、設計がいかに複雑であっても、溶接やボルト締めをすることなく、一度3Dプリントするだけで完成品が得られるため、構造全体へのリスクを軽減できます。

オーシャンゲートは特許の中で、タイタン潜水艇が5,000～6,000psi（大気圧の400倍）の圧力下で安全に試験されたと述べています。この試験圧力は、水深4,000メートルで潜水艇が受ける圧力に相当します。

しかし、安全性評価プロセスの観点から見ると、これは極めて重大な誤りです。製造業者は、製品が通常の使用条件よりも何倍も過酷な条件に耐えられることを保証する責任があります。オーシャンゲート社は、試験結果に基づいて最大レベルの観光客輸送を許可するのではなく、タイタンが6,000psiでの定常運航を許可する前に、少なくとも8,000～10,000psiの圧力に耐えられることを保証すべきでした。

オーシャンゲート社のタイタン号とその探検クルーズパッケージの販売戦略は、安全検査が国際基準に沿って実施されたのかどうかという疑問も引き起こしている。

タイタン潜水艇の残骸が6月28日にカナダのセントジョン港に運び込まれた。写真： AP

オーシャンゲート社は、自社の潜水艇は非常に新しいため、従来の安全基準を超えており、いかなる機関による検査も受けられないと主張している。一方で、同社は特許において「チタン合金-炭素繊維」という未検証の用語を使用しており、素材を「チタン合金」ではなく純チタン、「炭素繊維複合材」ではなく純炭素繊維と明確に定義していない。

実際、メーカーはより強度が高く、耐久性があり、硬度の高い新素材を使用できますが、常に最低限以上の安全基準を確保する必要があります。自己改善や独自の安全基準の設定は、常に事故を引き起こすリスクを伴います。

この記事は、現在メルボルンのスウィンバーン工科大学を拠点とするオーストラリア研究会議材料先端表面工学センター（ARC SEAM）の博士課程候補者である著者ダン・ナット・ミン氏の見解を代表しています。

ダン・ナット・ミン

ソースリンク: https://vnexpress.net/nhung-con-vit-co-the-khien-tau-lan-titan-gap-nan-4627263.html