Tänk på en farlig last och giftigt avfall eller sprängämnen kan komma att tänka på. Men granulerade laster som krossad malm och mineralsand är ansvariga för förlusten av många fartyg varje år. I genomsnitt, tio "fast bulklast" -fartyg har förlorats till sjöss varje år under det senaste decenniet.

Massa bulklaster - definierade som granulära material lastade direkt i ett fartygs lastrum - kan plötsligt övergå från ett fast tillstånd till ett flytande tillstånd, en process som kallas flytande. Och detta kan vara katastrofalt för alla fartyg som bär dem - och deras besättning.

År 2015, den 56, 000-ton bulkföretag Bulk Jupiter sjönk snabbt runt 300 km sydväst om Vietnam, med bara en av dess 19 besättningar som överlevde. Detta föranledde varningar från Internationella sjöfartsorganisationen om eventuell flytande av den relativt nya massivlastbauxiten (en aluminiummalm).

Mycket är känt om fysiken för flytande av granulära material från geoteknik och jordbävningsteknik. Den kraftiga skakningen av jorden gör att trycket i grundvattnet ökar till en sådan nivå att jorden "flytande". Men trots vår förståelse av detta fenomen, och riktlinjerna för att förhindra att det inträffar, det får fortfarande fartyg att sjunka och tar med sig besättningen.

Massa bulklaster

Fast bulklast är typiskt "tvåfasiga" material eftersom de innehåller vatten mellan de fasta partiklarna. När partiklarna kan röra sig, friktionen mellan dem får materialet att verka som ett fast ämne (även om det finns vätska). Men när vattentrycket stiger, dessa mellanpartikelkrafter minskar och materialets hållfasthet minskar. När friktionen reduceras till noll, materialet fungerar som en vätska (även om de fasta partiklarna fortfarande finns).

En fast bulklast som uppenbarligen är stabil på kajen kan vätska eftersom tryck i vattnet mellan partiklarna byggs upp när det lastas på fartyget. Detta är särskilt troligt om, som det är vanligt, lasten lastas med ett transportband från kajen in i lastrummet, vilket kan innebära ett fall av betydande höjd. Fartygets vibrationer och rörelser från motorn och havet under resan kan också öka vattentrycket och leda till kondensering av lasten.

När en fast bulklast vätsker, det kan skifta eller slash inuti ett fartygs lastrum, vilket gör fartyget mindre stabilt. En flytande last kan flyttas helt till ena sidan av lastrummet. Om den återfår sin styrka och återgår till ett fast tillstånd, lasten kommer att förbli i skiftat läge, vilket gör att fartyget permanent lutar eller "listar" i vattnet. Lasten kan sedan vätska igen och flytta vidare, öka listvinkeln.

Vid något tillfälle, listvinkeln blir så stor att vatten kommer in i skrovet genom luckans lock, eller så är fartyget inte längre tillräckligt stabilt för att återhämta sig från rullningsrörelsen som orsakas av vågorna. Vatten kan också röra sig inifrån lasten till dess yta som ett resultat av kondensering och efterföljande slosning av detta fria vatten kan ytterligare påverka fartygets stabilitet. Om inte sloshing kan stoppas, fartyget riskerar att sjunka.

Internationella sjöfartsorganisationen har koder för hur mycket fukt som tillåts i fast bulklast för att förhindra kondensering. Så varför händer det fortfarande?

Det tekniska svaret är att den befintliga vägledningen för stuvning och frakt av fast bulklast är för förenklad. Flytningspotentialen beror inte bara på hur mycket fukt som finns i en bulklast utan också på andra materialegenskaper, såsom partikelstorleksfördelningen, förhållandet mellan volymen fasta partiklar och vatten och lastens relativa densitet, samt lastningsmetoden och fartygets rörelser under resan.

Produktion och transport av nytt material, som bauxit, och ökad bearbetning av traditionella malmer innan de transporteras, betyder att mer last transporteras vars materiella beteende inte är väl förstått. Detta ökar risken för flytande av gods.

Kommersiella agendor spelar också en roll. Till exempel, tryck för att lasta fartyg leder snabbt till hårdare lastning även om det riskerar att höja vattentrycket i lasterna. Och tryck för att leverera samma tonnage last som lastades kan avskräcka besättningen på fartyget som tömmer last under resan.

Vad är lösningen?

För att hantera dessa problem, sjöfartsindustrin måste bättre förstå det materiella beteendet för fasta bulklastar som nu transporteras och föreskriva lämplig testning. Ny teknik kan hjälpa. Sensorer i ett fartygs lastrum kan övervaka vattentrycket i bulklasten. Eller så kan lastens yta övervakas, till exempel med laser, att identifiera eventuella förändringar i sin position.

Utmaningen är att utveckla en teknik som är tillräckligt billig, snabb att installera och tillräckligt robust för att överleva lastning och lossning av lasten. Om dessa utmaningar kan övervinnas, att kombinera data om lastens vattentryck och rörelse med information om vädret och fartygets rörelser kan ge en varning i realtid om lasten skulle flytas.

Besättningen kan sedan agera för att förhindra att vattentrycket i lasten stiger för mycket, till exempel, genom att tömma vatten från lastrummen (för att minska vattentrycket) eller ändra fartygets kurs för att undvika särskilt dåligt väder (för att minska fartygets rörelser). Eller om det inte var möjligt, de kunde evakuera fartyget. På det här sättet, detta fenomen med fast bulklastförflytning kan övervinnas, och färre fartyg och besättning skulle gå vilse till sjöss.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.