A mélytengeri merülőeszközök története a TITAN-katasztrófa kapcsán

2023. június 18-án röppent fel a hír arról, hogy megszakadt az összeköttetés a TITANIC roncsaihoz indult gazdag turistákat szállító TITAN merülőhajóval, 22-én pedig az amerikai parti őrség bejelentette, hogy a merülőhajót összeroppantotta az Atlanti-óceán mélyén uralkodó hatalmas nyomás. A történtek szomorú apropóján vázlatos áttekintését adjuk az extrém mélységekben használt merülőeszközök fejlődésének.

Bár a világóceán minden földi élet "magzatvize", a szárazföldi élethez alkalmazkodott ember nem mozog többé otthonosan benne, az életét megóvni képes eszközök nélkül pedig elpusztulna mélységeiben. A vízbe merült ember számára a felszín alól történő levegővétel lehetőségét akár egy szalmaszál is biztosíthatja, ám a nagyobb mélységekben történő munkavégzéshez komolyabb eszközökre van szükség: az élet védelmét a búvárfelszerelések és a tengeralattjárók biztosítják.

A "búvárkodás" az emberiség története során a nagy műszaki újítások és az ipari forradalom koráig leginkább a szabad tüdős merülést jelentette, s végső határai egybeestek az emberi szervezet teljesítő- és tűrőképességének határaival. Az első, név szerint is ismert női búvár még ugyanezt a technikát használta Kr.e. 500-ban, amikor egy görög szobrász, Scyllias és a lánya, Hydna igyekezett elvágni Xerxész perzsa király Hellászra támadó hajóinak horgonyát. A szivacshalászok technikáját használva - lélegzetüket visszatartva - merültek le, azonban így is legfeljebb csupán két percig maradhattak a víz alatt, noha a hosszabb ideig tartó víz alatti tartózkodásra lehetőséget adó technikákat már az asszírok is ismertek, akik Kr.e. 900 körül csutorával ellátott felfújt állatbőrökben vittek magukkal levegőt harcosaik álcázott folyamátkelései alkalmával.


1. ábra: Asszír harcosok kecskebőr légtömlőkkel Kr.e. 900-ból (balra), valamint Hydna és Scyllias Kr.e. 500-ból (jobbra). Forrás: itt és itt.

Az e határokat kitolni igyekvő, nagyobb mélységekbe irányuló, vagy éppen a víz alatti tartózkodás idejét megnövelni képes, összetettebb búvártevékenységhez évszázadokig kizárólagosan használt eszközt, a búvárharang jelentette, melynek legkorábbi leírását az ókori Egyiptom lakói hagyták hátra. Templomaik írásos emlékeikből tudható, hogy az első "technikai búvárok" különböző űrtartalmú tartályokat - például felfordított vödröket vagy üstöket - használtak a levegő víz alatt történő visszatartására (ezeket az edényeket a búvár fejére helyezték, mielőtt a vízbe lépett volna). A búvárharanggal végrehajtott leghíresebb merülés alighanem Nagy Sándor nevéhez fűződik, akiről Arisztotelész jegyezte fel, hogy Tyros ostrománál, Kr.e. 332-ben ezzel az eszközzel ereszkedett alá, hogy megvizsgálja a város tenger felőli védműveinek alapjait. A későbbi korok nagyobb mélységekbe történő eljutást biztosító fejlettebb merülőeszközei mellett a búvárharangok a víz alatti tevékenységek eszköztárának ma is nélkülözhetetlen eszközei.


2. ábra: Nagy Sándor a búvárharangban - középkori ábrázolás (balra), valamint XVI-XVII. századi búvárharangok (középen és jobbra). Forrás: itt, itt és itt.

Az összetettebb víz alatti emberi tartózkodás céljára szerkesztett első zárt vízi járművet - tulajdonképpen az első kezdetleges tengeralattjárót - a holland Cornelius Drebbel alkotta meg I. Jakab angol király számára 1621-ben és eredményes bemutatót tartott vele a Temzén. A fából készült jármű eresztékeit zsírral zárták le, evezőit bőrtömítésen keresztül vezették ki a hajó oldalán. Órákig volt képes a víz alatt maradni, mert Drebbel a fedélzeten elhelyezett hevített salétromos kannákból szabadított fel oxigént. 2002-ben 12 evezős hajójának egy kisebb (4 evezős) rekonstrukciójával sikeresen navigáltak a windsori kastély közelében lévő tavon. A másolat a nyugat-londoni Richmond Bridge melletti udvarban azóta is látható.

3. ábra: Cornelius Drebbel tengeralattjárójának szerkezeti rajza (balra), G. H. Tweedale által készített festménye a Királyi engeralattjáró Múzeumban, Gosportban (középen) és replikája Londonban (jobbra). A 12 evezőst és 20 utast szállító víz alatti vízhatlan evezős csónak 20 m-es mélységbe tudott lemerülni. Forrás: itt, itt és itt.

Noha a tengeralattjárók fejlesztése nem állt le - 1776-ban David Bushnell, 1800-ban és 1806-ban Robert Fulton is készített tengeralattjáró-terveket (kifejezetten katonai célra) - a nagyobb mélységekbe történő merülést lehetővé tevő, legénységgel felszerelt első tengeri kutatószonda elkészítésére csak 1863/65-ben került sor, amikor a német-amerikai Julius H. Kroehl egy nagynyomású légrekeszből, a legénység számára túlnyomásos munkakamrából és vízballaszt-tartályokból álló, kézi meghajtású összetett rendszert épített, gyöngyhalászok számára. A SUB MARINE EXPLORER névre keresztelt jármű külső, nagynyomású kamráját egy külső járműre (tutaj-szerű platformra) szerelt gőzszivattyú 1 400 kPa nyomásig sűrített levegővel töltötte meg. A vízballaszt-tartályokat ekkor elárasztották, s a hajó lemerült a 31 m-es mélységbe. Ezután túlnyomásos levegőt engedtek be a munkatérbe, hogy elegendő nyomás alakuljon ki ahhoz, hogy a jármű ajtaját ki lehessen nyitni az alsó oldalán, amelyen keresztül a gyöngyhalászok ki- és bejárhattak miközben a összeszedték a gyöngykagylókat. A tengeralattjáróban uralkodó légnyomás tehát megegyezett a merülési mélységnek megfelelő külső víznyomással (különben nem lehetett volna kinyitni az ajtót, illetve az ajtó nyitásakor betört volna a víz), így a legénység végig magas nyomásnak volt kitéve. Ráadásul a munkavégzést követően a tengeralattjárót gyorsan emelték a felszínre (a 31 m-es mélységből kb. 2 perc alatt), mivel még nem ismerték a dekompresszió szükségességét (a ballaszttartályokból a túlnyomásos levegővel fúvatták ki a vizet, így a legénységnek nem maradt volna elég levegője a dekompressziós megállók betartásához). A Sub Marine Explorer személyzete így maradandó egészségkárosodást szenvedett (Kroehl meg is halt).


4. ábra: A SUB MARINE EXPLORER - az első működőképes kutató-tengeralattjáró szerkezeti rajza. A hajó ma is megvan, azon a helyen, ahol Kroehl-ék elhagyták, a panamai Gyöngy-szigeteken. A helyiek jól ismerték, de azt hitték, hogy a második világháború maradványa, mígnem James P. Delgado 2001-ben azonosította és elkészítette a részletes felmérési rajzait. Forrás.

A tengerkutatási célú mélytengeri tudományos merülőeszközök kifejlesztésének következő állomását az amerikai Otis Barton féle batiszféra [gör.] (a.m.: "mélységi gömb") kifejlesztése jelentette 1929-ben, amelyet William Beebe ameikai természettudós használt, amikor engedélyt kapott a brit kormánytól arra, hogy kutatóállomást létesítsen a bermudai Nonsuch szigeten, s elvégezze az élővilág alapos vizsgálatát az óceán 21 km²-es területén 3,2 km-es mélységtől a felszínig. Mivel ez a hagyományos búváreszközökkel nem volt lehetséges - még nehéz-búvár öltözetben sem - különleges merülőeszközt kellett tervezni és építeni a világ első olyan mélytengeri kutatásához, amely természetes élőhelyükön tanulmányozta a tengeri élővilág egyedeit. Beebe eredetileg egy henger alakú járművet kívánt készíteni és beszámolt terveiről a The New York Times hasábjain. A cikket olvasó Otis Barton azonban biztos volt benne, hogy egy henger nem lesz elég erős ahhoz, hogy ellenálljon annak a mélységnek és nyomásának, amelybe Beebe le akart ereszkedni, ezért több levelet küldött Beebe-nek, amelyben alternatív tervet javasolt neki. Csakhogy annyi képzetlen opportunista próbált csatlakozni Beebe erőfeszítéseihez, hogy Beebe a legtöbb levelet olvasatlanul kidobta, így Barton első próbálkozása is eredménytelen maradt. Végül egy közös barátjuk közvetítésével találkozhattak, így Barton személyesen bemutathatta tervét Beebe-nek, aki jóváhagyta azt. Mivel a minden irányból ható nyomásnak legjobban ellenálló forma a gömb, Barton egy hatalmas acélgömböt készíttetett, amelyet a William Stillman Hidraulikus Gépészeti Vállalat öntött Roselle-ben (New Jersey). A gömbön 3 db, egyenként 76 mm vastagságú kvarckristályból készült ablakot alakítottak ki és egy 180 kg súlyú acélajtót, amelyet a merülés előtt kívülről kellett rácsavarozni a szerkezetre. A túléléshez szükséges levegőt a gömb belsejében elhelyezett tartályokban szállították, a gömb falaiba pedig nátronmész- és kalciumklorid-tartályokat építettek a gömb belsejében képződő nedvesség (a kicsapódó pára) elnyelésére. A levegőt a gömb utasai pálmalevelekkel keringtették. A gömb leeresztéséhez és felemeléséhez szükséges láncokat és kábeleket a John. A. Roebling vállalat, a mélytengeri élőlények azonosításához szükséges világítóeszközöket pedig a General Electric biztosította.

5. ábra: A Barton és Beebe-féle batiszéra. Működése során elsőként sikerült eljutnia oda, ahol ember addig még nem járt: a mélytengerek világába. Forrás: itt, itt és itt.

Barton és Beebe kutatásai jelentették az inspirációt a svájci Auguste Antoine Piccard fizikusnak, aki addig a rekordmagasságokba emelkedő hidrogéntöltésű ballonjairól volt ismert, azonban a legnagyobb mélységekbe történő utazás gondolata is ugyanolyan élénken foglalkoztatta. Miután Barton batiszférája bebizonyította, hogy a nagy szilárdságú fémekből készült gömb alkalmas az extrém óceáni mélységekbe történő emberi utazás kivitelezésére, elhatározta, hogy hajót konstruál a gömbhöz, amely lehetővé teszi számára az önálló manőverezést: megszületett a batiszkáf [gör.] ("mélységi hajó") gondolata. Piccard első batiszkáfja terveit 1937-ben készítette el, biztonsági okokból még ember nélküli tesztmerülések végrehajtására. A második világháború kitörése miatt azonban csak több mint 10 éves késéssel, 1948-ban építhette fel a hajót, amelyet a finanszírozó belga kutatóintézet - a Fonds National de la Recherche Scientifique - neve után FNRS-2-nek nevezett el (az FNRS-1 Piccard magassági rekorder ballonjának gondolája volt). Ennek felhasználásával tervezte meg August Piccard fia, Jacques Piccard 1953-ban a TRIESTE nevű batiszkáfot, immár azzal a kifejezett céllal, hogy a Föld legmélyebb pontjára, a Marianna-árokba merüljön vele. A merülésre 1960. január 23-án került sor. A hajó akkor már két éve amerikai tulajdonban volt, s eredeti - olasz gyártmányú - 2,6 m átmérőjű, 12,7 cm falvastagságú  nyomásálló gömbjét egy Krupp-gyártmányú német nyomásálló gömbre cserélték, amely fölé egy 15 m hosszú, 85 000 liter benzinnel megtöltött úszótestet erősítettek (a benzint azért választották úszófolyadéknak, mert kevésbé sűrű, mint a víz, és viszonylag összenyomhatatlan, így megőrzi lebegési tulajdonságait, és szükségtelenné teszi nehéz és vastag nyomásálló falak alkalmazását az úszótest esetében).

6. ábra: A TRIESTE batiszkáf metszetrajza a nyomásálló gömbbel (az úszótest alatt) és a benzinnel feltöltött úszótesttel (felette). Forrás.

Ezzel lényegében rendelkezésre állt az a technológia, amely a mélytengeri merülésekhez szükséges. Amikor 1985-ben az amerikai Robert Duane Ballard felfedezte a TITANIC nyughelyét, ugyanezt a technikát használta, amennyiben merülőeszköze, az ALVIN a Barton és a Piccard által megteremtett gömb-formát alkalmazta, korszerű gépészeti (navigációs, világítás- és fotótechnikai) eszközökkel kiegészítve. Az ALVIN-t Harold E. Froehlich és Dudley Foster, az amerikai Woods Hole Óceanográfiai Intézet mérnökei és tengeralattjáró-pilótái tervezték 1964-ben a batiszkáfok és más, nehézkesen manőverezhető óceanográfiai kutató-mentő járművek helyettesítésére, tudományos és haditengerészeti célokra. Munkájukhoz a korábbi mintákat vették alapul, így az általuk tervezett merülőeszköznek is egy gömb a központi eleme, ám mivel ez már nem acélból, hanem titánból készült, sokkal vékonyabb: csupán 51 mm anyagvastagságú. A hajó teljes tömege így mindössze 17 tonna, s lehetővé teszi két tudós és egy pilóta számára, hogy akár kilenc órán keresztül merüljenek a 4 500 méteres mélységbe. A merülőhajó két robotkarral is rendelkezik, továbbá felszerelhető küldetésspecifikus mintavételi és kísérleti felszereléssel.


7. ábra: Az ALVIN mélytengeri merülőhajó röntgenrajza (forrás).

Az ALVIN elindította a mélytengeri kutatások forradalmát: 1977-ben általa fedezték fel a "tengermélyi füstölőket", (azaz a tektonikus lemezek határán lévő alábukási - szubdukciós - zónákban kialakult mélytengeri hasadékvölgyekben lévő hidrotermális kürtőket, amelyeken keresztül a vulkanikus tevékenység által felmelegített víz távozik a mélyebben fekvő kőzetrétegekből), 1986-ban pedig a TITANIC, valamint a USS SCORPION tengeralattjáró roncsait. egymást követő korszerűsítései során 4 500 m-es merülési tartományát 6 500 m-re növelték és 4K képalkotó eszközökkel szerelték el. Anyahajója, az ATLANTIS kutatóhajó fedélzetéről alámerülve azóta is aktív, s a mélytengeri kutatóeszközök mintájaként szolgál.

8. ábra: Az ALVIN és a mintájára épült mélytengeri merülőhajók teljesítménye (az ábra jobb oldalán). Forrás.


Annál különösebb, hogy a 2023. június 18-án szerencsétlenül járt TITAN, az OceanGate Inc. merülőeszköze nem az 1928 óta bevált gömb-alakú konstrukciót alkalmazta, hanem éppenséggel az Otis Barton által már akkor aggodalommal kritizált hengeres formát vette alapul a nyomásviselő utastér kialakításánál. Stockton Rush, az OceanGate Inc. tulajdonosa és igazgatója, a TITAN tulajdonosa a hajó 2018-ban történt elkészítését követően úgy nyilatkozott, hogy azt szeretné, ha nagy innovátorként emlékeznének rá. Nos, kétségtelen, hogy a TITAN tizenkét merülést sikeresen teljesített, mielőtt a tizenharmadik útján utolérte a vég. Így aztán nem lehet azt állítani, hogy a hengeres nyomásálló test-kialakítás mindenre eleve alkalmatlan volna. Azt azonban, hogy pontosan mire is alkalmas - meddig és milyen körülmények között lehet megbízhatóan használható - paraméterezni kell. Arra ugyanis, hogy az ilyen paraméterezés szükséges, annak elmaradása tragikus egyértelműséggel rávilágított...


A TITAN pusztulásáról bővebben tudósít egyesületünk elnöke:
- a National Geographic Magyarország magazin honlapján közzétett összefoglalójában
- és az Inforádióban készített interjúban.