航空業界は、気候変動と闘うための世界的な取り組みにおいて、重要な岐路に立っている。航空需要が伸び続けるなか、航空排出量を削減し、従来のジェット燃料やその他の化石燃料への依存を最小限に抑えなければならないという圧力も高まっている。持続可能な航空機はこの変革の最前線にあり、ネット・ゼロ航空に向けた研究、投資、技術革新を推進している。よりクリーンな空を目指し、航空業界は、電気推進から低炭素燃料代替品に至るまで、航空機の脱炭素化に向けたコスト効率とエネルギー効率に優れた幅広いソリューションを模索している。このような努力は、環境面で大きなメリットをもたらすだけでなく、国際航空の未来を再構築し、航空会社の運航方法や航空機の設計、動力、保守の方法を再定義するものでもある。
全電気航空機、ハイブリッド電気航空機、水素・電気燃料電池という3つの有望な選択肢が浮上している。どの選択肢も、従来のジェット燃料消費量と二酸化炭素排出量を削減することができる。しかし、それぞれに独自の課題があり、航空機の設計や運用基準を再考し、環境への影響を十分に評価する必要がある。
Accuris ESDUチームは、80年以上にわたる検証済みのエンジニアリング設計データに関する専門知識を有しており、エンジニアが十分な情報を得た上で信頼性の高い設計上の意思決定を行えるよう、比類のない知識ベースを提供しています。航空力学、推進力、革新的な航空機設計に関する当社の見識は、持続可能な航空技術を評価するための重要な基盤となります。この記事では、民間航空輸送のための3つの持続可能な選択肢と、これらの新技術が技術的にも運用的にも健全であることを保証するための考慮事項について説明します。
全電動機
バッテリーを動力源とする電気推進では航続距離に限界があり、水素推進機ではさまざまな課題があるため、環境に優しい短距離コミューター機が、持続可能な民間航空機の最初のタイプとして就航する可能性が高い。現在、カナダのコミューター航空会社であるハーバー・エアは、電気駆動のデ・ハビランド・カナダDHC-2ビーバーで90便以上を飛行しており、2026年から2027年にかけてカナダの規制当局から完全な認定を受ける見込みである。全電気航空機の開発はまだ初期段階にある。
最初のオール電動機は、電気モーターが動力源に取って代わるプロペラ機になる可能性が高い。こうした電気航空機の開発と認証には、さまざまな企業が関わっている。その結果、効率的な設計になるかどうかは疑問が残る。パワープラントと燃料をバッテリーに置き換えることによるペイロード／航続距離への影響は？出発点として、これは、より効率的な電気モーターとバッテリーの開発を推進し、環境に優しい飛行機を運用する方法についての洞察を与えるだろう。
ハイブリッド電気航空機
A320やボーイング737のような中距離機の代替には、まずハイブリッド電気推進が採用され、次いで長距離機の代替には水素を燃料とするターボファンが採用される可能性が高い。
ハイブリッド電気推進の欠点は、電気モーターに直接電力を供給したり、バッテリーを充電したりするために、燃料を燃やして発電する必要があることだ。また、補助動力装置（APU）を搭載することによる重量増もある。したがって、ハイブリッド電気推進には、プロペラ／オープンローターまたはファン用の電力を生成する、より優れたバージョンのAPUが必要になる。これには、発電タービンからの排出ガスをろ過するために必要なシステムとアーキテクチャの開発が必要になる。
ハイブリッド電気推進を航空部門に統合するためには、技術開発、研究、持続可能なソリューションの展開を含む総合的なアプローチが不可欠である。
水素／電気燃料電池
ボーイング社は、オーストリアのダイヤモンド・エアクラフト・インダストリーズ社が製造した2人乗りのディモナ機の動力源として、水素／電気燃料電池を使用した。燃料電池は電気化学的な装置で、水素を電気と熱に直接変換する。熱を除けば、燃料電池から排出されるのは水だけである。離陸と上昇では、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気モーターに電力を供給する。高度が3000フィートを超えると、バッテリーは切り離され、燃料電池だけで電気モーターに電力を供給して水平飛行を維持する。この技術は、監視用の小型有人・無人飛行体に電力を供給する可能性があると想定されている。
燃料電池技術は、大型の民間航空機や飛行距離の長い航空機のAPUに応用できる可能性がある。しかし、燃料電池そのものは、大型民間航空機の一次電力を供給することはできないと考えられている。エアバスは過去10年間、さまざまな全電動式軽飛行機を開発・飛行させてきたが、現在はZEROeプロジェクトの一環として、将来の民間航空機の動力源となる水素推進に関するさまざまなコンセプトを調査している。
持続可能な航空機のための設計上の考慮事項
電気や水素を動力源とする航空機が設計に与える影響は、現行の航空機設計とは別のアプローチを必要とする。現在の民間航空機の新しい設計は、既存の航空機を大きく利用しており、急進的な変更は完全な認証基準まで開発するのに費用がかかるためである。電気または水素を動力源とする航空機の使用は急進的な変化であり、ブレンデッド・ウィング・ボディ（BWB）のような型破りなレイアウトを含め、多くの可能な構成を評価しなければならない。既存の空港施設内で電気や水素を動力源とする航空機の統合をサポートするためには、新たなインフラが不可欠となる。
例えば、電動航空機の設計では、バッテリーの位置、胴体、翼の位置、そして安全性の要件を考慮しなければならない。冷却と過熱についても考慮しなければならない（ボーイング787のバッテリー火災が最近問題になった）。設計者は、1つまたは2つが使用不能になった場合に備えて、航空機に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を決定しなければならない。バッテリーを胴体内に搭載する場合、翼を曲げる利点を放棄しなければならず、結果として重量が増加する可能性がある。現在の航空機では、燃料は主翼に搭載され、その重量は主翼の曲げと揚力によって軽減されている。
全電動機設計では、離陸重量は着陸重量と同じであり、これは現在の航空機設計とは異なる。これは構造重量にどのような影響を与えるのか、特に余分なバッテリーを搭載する必要がある場合はどうなるのか？
ペイロードの航続距離の問題も、新しいアプローチが必要になるだろう。現在、燃料の重量はペイロードや航続距離と引き換えになっている。水素を燃料とする航空機では、輸送に関する安全性の問題と設計への影響が焦点となる。このため、新たな国際安全基準、推奨慣行、信頼できる設計指針が必要となる。
空港運営の観点からは、バッテリーの充電、保管、交換を考慮し、新しいタイプの航空機をサポートするために施設を適合させる必要がある。バッテリーを取り外し、フル充電したものと交換するのか。その場合、ターンアラウンドタイムにどのような影響があるのか。機体の設計は迅速な変更を可能にするのか？電力供給は全国的な送電網から供給されるのか、それとも空港の地元から供給されるのか。グリーン・テクノロジーを使って発電するのか。さらに、水素の貯蔵と供給についても考慮しなければならない。
最後に、新しい航空機の製造は環境への影響を考慮しなければならない。バッテリーの製造や廃棄が環境に与える影響についても考慮しなければならない。
持続可能な航空の未来
持続可能な航空に向けた旅は、ハイブリッド電気航空機、全電気推進、水素燃料電池技術の有望な開発によって進んでいる。これらのソリューションはそれぞれ独自の技術的・運用的ハードルに直面しているが、燃料消費と排出を削減する可能性があるため、航空業界の将来にとって不可欠なものとなっている。
研究と開発が進むにつれて、これらの持続可能な代替案は航空業界を変革し、新たなレベルのパフォーマンスを提供し、よりクリーンな空への道を切り開くことが期待されている。継続的な革新と協力により、飛行の未来はより効率的で持続可能なものとなる。