航空業界は現在、気候変動への世界的な取り組みにおいて重要な転換点に立っています。航空需要が増え続けるなか、航空分野の排出量削減や、従来のジェット燃料をはじめとする化石燃料への依存を減らすことへの圧力も高まっています。こうした変革の中心にあるのが持続可能な航空機であり、研究や投資、技術革新を促しながら、航空分野のネットゼロ実現に向けた取り組みを加速させています。よりクリーンな空を目指し、業界では航空の脱炭素化に向けて、電動推進から低炭素燃料の代替手段まで、幅広い費用対効果の高いエネルギー効率のよい解決策が模索されています。これらの取り組みは環境面で大きなメリットをもたらすだけでなく、国際航空の将来像そのものを変えつつあります。航空会社の運航のあり方や、航空機の設計、動力、整備の方法に至るまで、新しい形へと再定義されつつあります。
有望な選択肢として、全電動航空機、ハイブリッド電動航空機、水素燃料電池を用いた航空機の三つが挙げられます。いずれも従来のジェット燃料の使用量や二酸化炭素排出量を削減できる可能性があります。ただし、それぞれに固有の課題があり、航空機の設計や運用基準を見直す必要があります。また、環境への影響についても包括的な評価が求められます。
Accuris ESDU チームは、検証済みのエンジニアリング設計データの分野で80年以上の実績を持ち、エンジニアが確かな根拠に基づいて設計判断を行うための豊富な知見を提供しています。空力、推進、革新的な航空機設計に関する知識は、持続可能な航空技術を評価するうえで重要な基盤となります。本記事では、民間航空輸送における三つの持続可能な選択肢を取り上げ、それぞれの技術が技術面・運用面の両方で成立するために考慮すべきポイントについて解説します。
全電気式航空機
バッテリーによる電動推進には航続距離の制約があり、水素航空機にもさまざまな課題があることから、環境に配慮した短距離のコミューター機が、持続可能な民間航空機として最初に実用化される可能性が高いと考えられています。現在、カナダのコミューター航空会社 Harbour Air は、電動化した de Havilland Canada DHC-2 Beaver を用いてすでに90回以上の飛行を実施しており、2026年から2027年頃にカナダの規制当局から正式認証を取得する見込みです。とはいえ、完全電動航空機の開発はまだ初期段階にあります。
最初に登場する完全電動航空機は、従来の動力装置を電動モーターに置き換えたプロペラ機になる可能性が高いと考えられています。現在、さまざまな企業がこうした電動航空機の開発や認証取得に取り組んでいます。しかし、この方式が本当に効率的な設計につながるのかは慎重に検討する必要があります。動力装置と燃料をバッテリーに置き換えた場合、搭載可能なペイロードや航続距離にはどのような影響が出るのでしょうか。こうした取り組みは出発点として、より高効率な電動モーターやバッテリーの開発を促すとともに、環境に配慮した航空機の運用方法を探るうえでも重要な知見をもたらすと考えられます。
ハイブリッド電気航空機
A320やボーイング737のような中距離航空機の代替には、まずハイブリッド電動航空機の推進方式が導入され、その後、長距離航空機の代替には水素燃料ターボファンが導入される可能性があります。
ハイブリッド電気推進の欠点は、電気モーターを直接駆動したりバッテリーを充電したりするために、燃料を燃焼させて電力を生成する必要がある点です。エネルギー源を切り替える際には非効率が生じやすく、さらに補助動力装置（APU）を搭載する重量増というペナルティも伴います。したがって、プロペラ／オープンローターやファン用の電力を生成するには、ハイブリッド電気推進システムには改良型APUが必要となります。これには、発電用タービンの排出ガスを浄化するシステムとアーキテクチャの開発が伴います。
ハイブリッド電動推進を航空分野に統合するには、技術開発、研究、持続可能なソリューションの導入を含む包括的なアプローチが不可欠です。
水素/電気燃料電池
ボーイングは、オーストリアのDiamond Aircraft Industriesが製造した2人乗りのDimona機に、水素／電気燃料電池を用いた動力システムを採用しています。燃料電池は、水素を電気化学反応によって直接電気と熱に変換する装置で、燃焼に伴う二酸化炭素などの副生成物は発生しません。排出されるのは熱のほか、水のみです。離陸と上昇時には、バッテリーと燃料電池を組み合わせてプロペラに接続された電動モーターを駆動します。高度3,000フィートを超えるとバッテリーは切り離され、燃料電池のみで電動モーターに電力を供給して水平飛行を維持します。この技術は、監視用途の小型有人機や無人航空機の動力として活用できる可能性があると考えられています。
燃料電池技術は、大型商用機の補助動力装置（APU）や航続距離の延長などに応用できる可能性があります。ただし、燃料電池だけで大型商用機の主動力をまかなうのは難しいと考えられています。エアバスは過去10年にわたり、完全電動の軽量航空機の開発と試験飛行を進めてきました。現在は、将来の民間航空機の動力として水素推進を活用するさまざまな構想を、ZEROeプロジェクトの一環として検討しています。
持続可能な航空機の設計上の考慮事項
電動または水素動力の航空機が実用化されれば、航空機設計には従来とは異なるアプローチが求められます。現在の民間航空機の新型設計は、認証取得に多大な費用がかかるため、既存機の設計を大きく踏襲することが一般的です。しかし、電動化や水素動力の導入は大きな技術的転換であり、ブレンデッド・ウィング・ボディ（BWB）のような従来とは異なるレイアウトも含め、多様な構成を検討する必要があります。また、電動航空機や水素航空機を既存の空港施設に組み込むためには、新たなインフラ整備も不可欠になります。
例えば電動航空機の設計では、バッテリーの配置、胴体や翼との関係、安全要件などを考慮する必要があります。また、冷却や過熱の問題も重要です（ボーイング787のバッテリー火災は比較的最近の例です）。さらに、バッテリーの一部が使用不能になった場合に備えて、予備のバッテリーパックを搭載する必要があるかどうかも設計段階で判断しなければなりません。バッテリーを胴体内に配置すると、翼の曲げによる荷重緩和の利点を活かせなくなり、結果として機体重量が増える可能性があります。現在の航空機では燃料を翼内に搭載しており、その重量が翼の曲げと揚力によって荷重を分散する効果を持っています。
完全電動航空機の設計では、離陸重量と着陸重量が同じになります。これは現在の航空機設計とは大きく異なる点です。もし追加のバッテリーを搭載する必要がある場合、特に構造重量にどのような影響が出るのでしょうか。
ペイロードと航続距離の関係についても、新しい考え方が必要になります。現在は、燃料重量とペイロード、航続距離との間でバランスを取る設計が一般的です。一方、水素動力航空機では、水素の搭載に伴う安全性や機体設計への影響が重要な検討課題となります。そのため、新たな国際的な安全規格、推奨実務、そして信頼できる設計指針の整備が求められます。
空港運用の観点から見ると、バッテリーの充電、保管、交換など、新しい種類の航空機に対応するために施設を整備する必要があります。バッテリーは取り外して、十分に充電されたものと交換する方式になるのでしょうか。その場合、折り返し時間にはどのような影響が出るのでしょうか。機体の設計は迅速な交換に対応できるのでしょうか。電力は国内の電力網から供給するのでしょうか、それとも空港内で確保するのでしょうか。また、その電力はグリーンエネルギーによって発電されるのでしょうか。さらに、水素の貯蔵や供給に対応するための設備も必要になります。
最後に、新しい航空機の製造においては、環境への影響を十分に考慮する必要があります。加えて、バッテリーの製造および廃棄に伴う環境負荷についても配慮が求められます。
持続可能な航空業界の未来
持続可能な航空の実現に向けた取り組みは、ハイブリッド電動航空機、完全電動推進、そして水素燃料電池技術の進展により前進しています。これらの技術はそれぞれ固有の技術的・運用上の課題を抱えていますが、燃料消費や排出量の削減につながる可能性があることから、航空業界の将来にとって重要な存在となっています。
研究開発が進むにつれて、これらの持続可能な代替技術は航空のあり方を大きく変え、新たなレベルの性能を実現し、よりクリーンな空の実現への道を切り開く可能性があります。継続的な技術革新と協力のもと、航空の未来は、より効率的で持続可能なものになっていくと期待されています。
