航空の黎明期以来、飛行機は主にガソリンや灯油などの炭素系燃料で動いてきました。これらは重量当たりに多くのエネルギーを含み、世界各地への飛行で大型の商業旅客機を持ち上げるのに必要な膨大な動力をもたらします。しかし、石油資源が減少し、温室効果ガス 排出 に対する罰則が強まる中、航空の未来は代替動力源を見つけられるかどうかにかかっています。電気がその答えになるのでしょうか。
第一歩は「より電動化された航空機」の開発です。これはジェット動力の飛行機で、他のすべての航空機システムに電力を最大限活用するものです。この考え方は、 全体的なエネルギー効率を向上させることにより、燃料消費を大幅に削減することです。実際には、航空機の重量を減らし、改良された空力特性によって抗力を低減し、燃料使用量を抑えるよう 飛行プロファイル を最適化することを意味します。
しかし、これらの改善によって燃料を節約できるとはいえ、それだけでは十分ではありません。より持続可能な航空機への移行には、大規模で長期的な解決策が必要です。
このような大きな技術革新は、しばしば軍事上の要請によって推進されてきました。ジェットタービンエンジンは 第二次世界大戦中 に開発され、米空軍のChuck Yaegerは初めて Bell X-1 で音速の壁を破りました。これは冷戦下で超音速到達を競う取り組みの一環でした。新技術の追求は性能と信頼性の大幅な向上をもたらし、その成果はその後商業航空にも波及して、大陸間の大規模な航空旅行を現実のものにしました。
コンコルドは、軍事用途から高性能な商業機への転換を最も象徴する機体でしたが、その驚異的な性能にもかかわらず、過度の騒音と汚染に対する苦情が絶えませんでした。現代のジェット旅客機も、こうした環境への懸念を依然として一貫して引き起こしており、軍が最速の航空機を設計する明白な動機を持つ一方で、環境配慮への動機はそれほど明確ではありません。次の大きな技術革新には、別の方向を探る必要があるかもしれません。
空をきれいにできるのでしょうか？
ソーラー動力の長時間飛行機は最近大きな注目を集めており、 Solar Impulse チームは世界一周飛行の初達成を目指しています。しかし、太陽光発電は技術的に興味深い挑戦ではあるものの、旅客の大量輸送にとって特に現実的な選択肢ではありません。Solar Impulseの機体からわかるように、非常に幅の広い翼幅のソーラーパネルの出力では、相当な距離にわたって運べるのは機体とパイロットだけです。
バッテリーの蓄電容量は、電動航空機にとって主要な制約要因です。電動航空機が重量や燃料に関する制約によって足止めされているとすれば、その原因はおそらくバッテリーにあります。航空機は一般に自動車より給油時間が長いため、急速充電は可能であり効果的です。現行のジェット機も給油（および乗客・貨物の折り返し作業）におおよそ同程度の時間がかかるため、約1時間の電気充電は妥当です。しかし、決定的な問題はエネルギー密度です。すなわち、バッテリーは自らの重量に対してどれだけのエネルギーを供給できるのか、という点です。
現在使用されている一般的なリチウムイオン電池は、1キログラム当たり最大で約100万ジュールのエネルギーを蓄えられますが、 最新の研究 では、より高い密度の可能性が示されているものの、これらは商業的には入手できません。100万ジュールは大きな数字に聞こえるかもしれません。しかし、これを 航空燃料の1キログラム当たり4300万ジュール と比較してください。燃料タンクを、その43倍の重さのバッテリーに置き換えるのは現実的な選択肢ではありません。明らかに、電気で大型航空機を長距離飛ばすには、解決すべき大きな蓄電の課題があります。
電動航空旅行の未来
では、電動動力は消費者向けの航空旅行の長期的なビジョンにどのように位置づけられるのでしょうか。明らかな技術的課題があるにもかかわらず、エアバスの試作機「 E-Fan機 」は2017年までに量産される予定です。E-Fanは2基の電動モーターで駆動される、非常に軽量な2人乗りの飛行機です。その相対的な速度と積載能力は、商業航空会社が必要とするものよりはるかに低い水準です。しかし、
今後10年以内に、この技術は短距離の通勤用および業務用航空機にも広がる可能性があります。特に、依然として従来の プロペラ推進方式を用いる路線を主な対象とする可能性があります。エアバスは、このような航空機について 中期的な計画 を有しており、目標定員はおそらく60名程度です。そのため、短距離の通勤便に適したプラットフォームになります。
電動航空機が商業航空会社に採用される前に、安全性と信頼性への対応が必要です。電気自動車が依然として公衆の信頼という重要な水準に到達しなければならないのと同様に、知覚される信頼性は新型航空機に対する消費者の信頼に大きな影響を与えるでしょう。
E-Fanのような試作機が公衆の信頼を築くことができれば、それはあらゆる新たな交通手段に内在する技術的課題を克服する上での「転換点」となる可能性があり、特に急速な技術革新の実績を持つ航空分野ではなおさらです。新素材、蓄電、パワーエレクトロニクス技術などの進歩――とりわけこれらの分野での進歩――は、今後20年以内に完全電動の商業航空機が実現するという見通しをもたらす可能性があります。
本記事は The Conversationとの協力により掲載されています。 原文記事をお読みください.. 掲載は、世界経済フォーラムによる見解を支持するものではありません。
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著者：ピーター・ウィルソン氏は、University of Bathの電子・システム工学教授です。
画像：フランス南西部のBordeaux Merignac空港で開催されたe-Aircraft Dayにおいて、初の一般公開飛行に参加するE-Fan機。REUTERS/Regis Duvignau
