Những con vít có thể khiến tàu lặn Titan gặp nạn

Thảm kịch tàu lặn Titan bị nghiền nát dưới đáy Đại Tây Dương ngày 23/6 khiến truyền thông lẫn giới chuyên môn quan tâm bàn luận. Bên cạnh những nhận định về lỗi thiết kế, sai cấu trúc hay lặn vượt độ sâu của tàu Titan, giả thuyết thất bại do vật liệu (Materials Failure) cũng được giới chuyên gia đặt ra.

Nhiều thông tin cho thấy nhà sản xuất OceanGate đã tự ý cải tạo tàu Titan từ mục đích viễn thám khoa học sang du lịch chở người. Hình ảnh về quá trình đóng tàu do OceanGate công bố cho thấy hai màn hình hiển thị đã được công ty cho bắt vít thẳng vào thân tàu, vốn được bọc bằng lớp sợi carbon ở mặt ngoài như CEO Stockton Rush từng quảng cáo.

Đây là điều tối kỵ vì sợi carbon bền hơn thép 5 lần nhưng lại rất giòn, thường được trộn cùng với keo resin để dán lên bề mặt vật liệu cần bao bọc. Quá trình dán phủ này được tạo từ từng lớp chồng lớp lên nhau, tương tự dán từng lớp giấy có phết sẵn keo.

Cấu trúc sợi carbon do đó sẽ không phải dạng tấm nguyên khối nguyên chất, mà sẽ là một dạng composite của sợi carbon với resin. Công ty OceanGate đã sử dụng tên gọi “carbon fibre composite” (composite sợi carbon) cho vật liệu này trong bằng sáng chế được cấp năm 2021.

Vì là dạng composite, trong cấu trúc sợi carbon này sẽ có nhiều khoảng trống hiển vi mà keo resin không thể lấp đầy. OceanGate cho biết tỷ lệ trống là dưới 1%, nhưng con số này không được minh định cụ thể. Sự khác biệt giữa tỷ lệ khoảng trống 0,99% và 0,0000000000001% có thể ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ khung cấu trúc cũng như tốc độ vỡ vụn của vật liệu.

Phương pháp khoan và bắt vít màn hình lên thân tàu sẽ tạo ra khe nứt nhỏ trên bề mặt composite bên trong. Sau nhiều hành trình lặn xuống tham quan xác tàu Titanic ở độ sâu 3.800 m, thân tàu Titan liên tục chịu áp suất lớn trong thời gian dài, khiến vết nứt có thể lan nhanh như kính nứt vỡ.

Hiện tượng này có thể ví với hình ảnh một con sông băng bị đóng một lỗ trên bề mặt, vết nứt ban đầu nhỏ nhưng dần dần sau mỗi lần gõ búa đủ lâu và đủ lực sẽ làm toác ra một tảng hàng trăm mét, dẫn tới cả một khối băng lớn bị rạn.

Sợi carbon nổi tiếng với sức bền, nhưng đó không phải là sức bền nén, yếu tố then chốt để chịu áp lực dưới đáy đại dương, mà là bền kéo để giữ cho khung không bị căng đứt ra.

Sợi carbon composite rạn chậm hơn so với nguyên chất, khiến quá trình nứt vỡ diễn ra từ từ, điểm rạn cấu trúc quá nhỏ nên không thể phát hiện từ bên ngoài. Tốc độ vỡ trong cùng một lớp sợi carbon sẽ nhanh hơn từ lớp này sang lớp kia, nên vết rạn sẽ lớn dần, cho đến lúc làm cấu trúc mặt trong cùng cực kỳ yếu.

Khi hội tụ đủ điều kiện, chỉ cần một va chạm nhẹ, một cú huých trượt với bất kỳ vật thể gì dưới đáy dại dương, cũng đủ gây ra vụ co sụp kinh hoàng với tàu lặn Titan, cướp đi sinh mạng của 5 người trong tàu.

Trong trường hợp đó, cấu trúc bằng sợi carbon composite sẽ đột ngột vỡ vụn, dù các lần trước đó không có hiện tượng gì bất thường. Điều này giải thích tạo sao các chuyến đi trước của tàu Titan vẫn bình thường, nhưng hành trình cuối cùng hôm 18/6 là thời điểm con tàu đạt tới ngưỡng chịu đựng.

Ngay cả khi giữa phần ruột tàu bằng titan và lớp vỏ ngoài phủ sợi carbon composite có một khoảng cách nhất định khiến lỗ khoan bắt vít không gây ra hiện tượng nứt vỡ, việc khoan vào thành titan của tàu cũng tạo cơ hội để hiện tượng gỉ trên kim loại xảy ra nhanh hơn.

Titan khó bị gỉ hơn sắt và đồng, nhưng màu của thân tàu không phải titan nguyên chất, mà giống hợp kim titan hơn theo như OceanGate quảng cáo, hoặc vật liệu thép cứng tương tự hải quân Mỹ dùng cho tàu ngầm.

OceanGate có thể sử dụng hợp kim để chế tạo ruột tàu thay cho titan nguyên chất để cắt giảm giá thành sản xuất, nhưng cũng khiến nó có nguy cơ bị gỉ cao hơn. Trong trường hợp đó, vị trí bắt vít sẽ luôn là nơi bị gỉ đầu tiên, dẫn đến nguy cơ loang rộng làm yếu cấu trúc xung quanh.

OceanGate nhiều khả năng còn phải bắt thêm nhiều ốc vít vào thân tàu, do nó được cải tạo để chở khách tham quan và cần lắp nhiều thiết bị quan sát. Ngoài ra, ở phía cửa ra vào có các mối hàn khung khá thô, không có thêm lớp phủ chống gỉ hoặc chống mài mòn, tương tự thiết kế gắn cửa sổ ở ban công tại nhà.

Trong công nghệ vật liệu, bên mặt dưới của lớp hàn là chỗ dễ bị gỉ nhất và làm suy yếu cấu trúc do có sự tiếp xúc của ít nhất hai loại vật liệu khác nhau.

Rủi ro trong biện pháp này còn cao hơn phương án bắt vít. Mối hàn có thể có liên kết kim loại dẫn tới tốc độ gỉ lan ra nhanh do quá trình ăn mòn điện hóa khi gặp độ ẩm cao. Để hạn chế rủi ro, nhà sản xuất có thể phủ lên các mối hàn này một lớp màng mỏng chống mài mòn, chống ăn mòn để bảo vệ vật liệu và kết cấu trong điều kiện tiếp xúc với môi trường, nhưng chưa có bằng chứng cho thấy phía OceanGate đã thực hiện biện pháp an toàn này.

Bản thiết kế tàu lặn Titan từ bằng sáng chế gốc của OceanGate cho thấy con tàu được chế tạo dựa trên mẫu tàu lặn sâu Alvin DSV thế hệ đầu tiên vẫn được sử dụng tới nay. Thay vì sử dụng dạng hình cầu truyền thống để tối ưu khả năng chống chịu áp lực từ mọi hướng, ông Rush đã cải tạo tàu lặn Titan thành dạng ống để chở được nhiều khách hơn.

Hai đầu chum hai bên được làm bằng titan, còn phần khung hình trụ ở giữa được bọc cuốn bằng nhiều lớp sợi carbon có độ dày khoảng 13 cm. Khối trụ ở giữa theo thiết kế này trở thành nơi chịu lực chính, trong khi đây chính là khu vực đã bị can thiệp bằng các biện pháp bắt vít và hàn.

Việc phủ lớp carbon dày 13 cm có thể giúp tàu tăng khả năng chống chịu áp suất bên ngoài, nhưng cũng vô tình làm tăng sự giòn của nó và khiến cho việc quan sát những chỗ nứt vỡ rất nhỏ ở bên trong cấu trúc lớp khó khăn hơn.

Bản thân các chỗ mối nối giữa phần thân ống với đầu thân và đuôi thân làm bằng titan cũng không được in 3D từ một mẻ mà được gắn với nhau bằng cơ chế hàn kín lại, tạo ra nguy cơ làm suy yếu khung cơ học. Cấu trúc tổng thể sẽ rất yếu do sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau ghép vào từ sợi carbon, titan và thủy tinh acrylic. Mỗi loại vật liệu lại có sức chịu đựng, độ giãn nở và độ giòn khác nhau trong cùng một môi trường.

Đây cũng là lý do công nghệ in 3D được ưa chuộng để chế tạo thân tàu vũ trụ, dù nó tốn kém hơn nhiều lần so với phương pháp lắp ráp. Với công nghệ này, nhà sản xuất chỉ cần in 3D một lần là có sản phẩm hoàn chỉnh, dù thiết kế phức tạp đến đâu đi nữa, mà không cần bất kỳ mối hàn nối hay bắt vít nào, giúp giảm rủi ro cho kết cấu tổng thể.

Trong bằng sáng chế của mình, OceanGate có đề cập tới việc họ đã từng thử nghiệm an toàn tàu lặn Titan ở điều kiện áp suất 5.000 – 6.000 psi (gấp 400 lần so với áp suất khí quyển). Áp suất thử nghiệm này tương đương với sức ép mà con tàu đối mặt ở độ sâu 4.000 mét.

Nhưng với quy trình đánh giá an toàn, đây là lỗi cực kỳ nghiêm trọng. Đơn vị sản xuất phải có trách nhiệm đảm bảo sản phẩm chịu được điều kiện khắc nghiệt hơn nhiều lần so với điều kiện sử dụng thường xuyên. OceanGate đáng ra phải đảm bảo tàu Titan chịu được sức ép ít nhất 8.000-10.000 psi thì mới để tàu hoạt động thường xuyên ở điều kiện 6000 psi, thay vì cho nó chở khách tham quan ở mức kịch trần theo kết luận thử nghiệm.

Chiến thuật quảng bá của OceanGate về tàu Titan và gói du lịch thám hiểm của họ cũng gây ra hoài nghi liệu các biện pháp kiểm định an toàn đã được thực hiện theo đúng tiêu chuẩn quốc tế hay chưa.

OceanGate từng tuyên bố rằng sản phẩm tàu lặn của họ quá mới, đến mức vượt qua cả tiêu chuẩn an toàn thông thường và không cơ quan nào kiểm định nổi. Mặt khác, OceanGate dùng khái niệm “hợp kim titan – sợi carbon” chưa được kiểm chứng trong bằng sáng chế, thay vì xác định rõ vật liệu là “hợp kim titan” chứ không phải titan thuần và composite của sợi carbon chứ không phải sợi carbon nguyên chất.

Trên thực tế, nhà sản xuất có thể sử dụng vật liệu mới khỏe hơn, bền hơn, cứng hơn, nhưng họ phải luôn đảm bảo tiêu chuẩn an toàn trên mức tối thiểu. Tự cải tạo và tự đặt ra tiêu chuẩn an toàn cho riêng mình luôn tiềm ẩn nguy cơ gây ra tai nạn.

Đặng Nhật Minh