水素の熱的挑戦：AMSLエアロ、サイモン・コバーンとのQ&A

水素は、二酸化炭素排出ゼロと高いエネルギー密度の可能性から、持続可能な航空機の未来と考えられている。水素は、航空機が環境に与える影響を大幅に削減するための革新的なソリューションを提供する。しかし、燃料そのもの以上に重要な技術的課題は、水素燃料電池から発生する「低品位」の廃熱を管理することにある。高温の環境条件下でも、空気抵抗を引き起こす大型のラジエーターに頼ることなく、その熱を効率的に放散させなければならない。この熱管理のハードルは、水素を動力とする飛行の決定的な技術的障害のひとつである。

チャンスとハードルの両方を探るため、AMSLエアロの水素システム・リードであるサイモン・コバーンと対談し、燃料電池、冷却戦略、そして水素のスケールアップに必要なものについて話し合った。

サイモン・コバーンは、ゼロ・エミッション航空機を開発するオーストラリアの航空宇宙企業、AMSLエアロの水素システム・リーダーである。水素推進と熱管理に関する深い専門知識を持つサイモンは、次世代航空機の最前線にいる。水素燃料電池がなぜ次世代航空に適した技術なのかを説明するのに理想的な人物である。

次世代航空に水素を選ぶ理由とは？

サイモン・コバーン 水素を燃料としてではなく、エネルギー・キャリアとして考えることは有益である。私たちは電気を貯蔵するために水素を使っている。炭化水素から炭素を取り除くと、水素ができあがる。

航空にとって、それは非常に重要だ。化学電池の出力は非常に高いが、高エネルギー機器ではない。もし50キロの距離を飛行したいなら、バッテリーを使えばいい。しかし、1,000キロを飛行したいのであれば、水素燃料電池が必要だ。

これも新しい技術ではない。燃料電池の原理は200年前に初めて実証され、20世紀にはNASAのアポロ計画に初めて応用された。燃料電池は宇宙計画のために開発された。ニール・アームストロングは月に大きなバッテリーを持って行ったわけではない。彼は水素燃料電池を持って行ったのだ。だから、私たちは実験的なことや未証明のことについて話しているのではない。

合成航空燃料も、特に既存の航空機を稼働させ続けたい航空会社には適している。しかし、原油から精製される灯油の4倍から8倍のコストがかかる。水素は真のゼロ・エミッション推進力を提供し、水と電気から地元で製造することができる。

水素燃料電池と水素燃焼はどう違うのか？

SCだ： 水素の燃焼は1200℃を超える高温で行われる。これは温室効果ガスである窒素酸化物（NOx）が発生する温度だ。ガスタービンエンジンで水素と空気をマイクロミキシングする方法が有望視されているが、現在のところ、これを排気プルームから除去する方法はない。対照的に、燃料電池は排気中に水だけを生成する。

課題は熱管理にある。燃料電池は排気からあまり熱を放出できない。冷却液は燃料電池から約80℃で出てくるが、外気温が40℃の場合、使えるのは40℃だけだ。車のエンジンが120℃で動いているのと比べると、80度の差がある。

燃料電池を使えばその半分で、従来のラジエーターを使えば飛行機は離陸すらできない。重さ150キロの地上試験機を作った。重さも大きさも巨大で、飛べない。

電気化されたリージョナル航空機に適用される水素燃料電池システムの機能と安全性の課題」より Stefan Kazula et al 2023 J. Phys：Conf.2526 012063

液体水素貯蔵は航空機設計をどうするか？

SCだ： 液体水素は約20ケルビン、つまりマイナス253℃で形成され、ヘリウムに次いで2番目に冷たい極低温液体である。このような極低温工学もよく理解されており、成熟している。液体水素を使う理由は、低圧で大量に船内に貯蔵できるからだ。同じ量の水素ガスを貯蔵するには、非常に高い圧力まで圧縮する必要があり、タンクが重くなります。私たちは、低圧で作動するため軽量な完全複合型の液体水素タンクを使用しています。

皮肉なことに、燃料には冷却が必要なのではなく、加熱が必要なのだ。燃料電池の廃熱を利用して液体水素を気体にしてからスタックに供給する。燃料電池が自ら燃料を温めるのだ。

で AMSLエアロこの原則が私たちの設計思想を形作ってきた。私たちは水素、高電圧システム、高温の冷却材をすべて胴体ではなく翼ポッドに収納している。乗客は、高電圧も水素も高温の冷却水もない中央の胴体に座ることになる。この構造は、初日から実用的で認証可能な航空機を作るという我々のアプローチを反映している。

無拘束飛行をするAMSLエアロのVertiia。水素の試験飛行は2026年に計画されている。

なぜ水素航空にとって熱管理が重要なのか？

SCだ： スタック冷却が熱負荷を支配している。コンプレッサー、加湿器、電子機器はさらに熱を加えるが、主な熱源はスタックだ。自動車では重いラジエーターを使う余裕があるが、航空ではそうはいかない。

熱管理はこの航空機の単なる補助機能ではなく、設計の中心的な課題である。このような航空機のための従来の冷却セットアップでは、200キロ以上の重量になることもあります。コンフラックスのような先進的な熱交換器では 熱交換器しかし、私たちはそれを大幅に減らすことができる。その節約は、乗客を1人か2人余分に乗せるのに十分な量だ。

また、サメが泳ぐように、空気抵抗を最小限に抑えながら空気を切り裂くように飛びたい。ラジエーターは1平方センチメートルごとに抵抗となる。冷却フィンを細かくすればするほど熱を逃がすことができるが、圧力損失は大きくなる。時速300kmで飛行する場合、抗力は性能のトレードオフになります。熱伝導、空気抵抗、圧力損失のバランスをとることが、冷却システム全体の効率を決めるのです。

水素航空は安全か？どのように認証されているのか？

SCだ： 液体水素はNASA、ESA、JAXAで70年間使用されてきた。極低温なので、適切なトレーニング、手順、静電気防止装置が必要だ。しかし、これは実験的なものではなく、日常的なエンジニアリングなのだ。

認証はフロンティアがあるところだ。規制当局は今、極低温のボイルオフや冷却ループの故障モードなどについて考える必要がある。デジタル・ツインと予測分析が、長期にわたる安全性の実証に大きな役割を果たすかもしれない。

調達と適格性確認のためには、プロトタイプ1個がどのように機能するかを示すだけでは不十分である。すべてのコンポーネントが、再現性、品質保証、航空宇宙規格への準拠を実証しなければならない。サプライヤーがそれを一貫してスケールで証明できるようになって初めて、採用が加速するだろう。

より：超軽量航空機用燃料電池システムの動的モデルの飛行試験検証。Correa G, Santarelli M, Borello F, Cestino E, Romeo G. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering.2014;229(5):917-932.

戦略的展望誰が最初に水素を採用するか？水素飛行機は本当に使えるのか？

SCだ： 最初に採用されるのはeVTOL機とリージョナル機だろう。これらの航空機は軽量で航続距離が短く、海を渡る必要がないからだ。

ボーイングと エアバス はすでに長距離液体水素航空機を研究しているが、問題は体積、つまりそれだけの燃料を運ぶのに必要なスペースだ。

AMSLエアロは、当社の長距離eVTOL航空機であるVertiiaで、既存の一般航空市場に焦点を当てている。このセグメントの中で、ヴェルティアは、航空医療、貨物輸送、旅客輸送など様々なセクターにアピールできる多様性を持っている。これらは、水素燃料電池航空機が、単に二酸化炭素の削減だけでなく、真の社会的・経済的価値を生み出すことができるミッションである。

技術はすでに機能している。物理学は健全だ。課題は、水素航空機が飛べるかどうかではない。課題は、商業的に実行可能な航空機の構成、それを支えるインフラの構築、そして認証の取得である。これらが実現すれば、水素は最も重要な分野で航空を変革し、炭素排出なしに人とサービスをつなぐことになる。AMSLエアロはこれを現実のものにしている。

水素航空に次に必要なものは何か？

SC:チャンスは非常に大きい。グリーン水素は、ゼロエミッションの電力があればどこでも製造できる。つまり、人里離れた町であっても、その場で航空燃料を製造することができ、持続可能な航空のための分散型かつ強靭なネットワークを構築することができるのです。

電気と水があれば、町やコミュニティは水素を自給できる。化石燃料の輸入に頼るのではなく、自分のいる場所で自分の燃料を作ることができるのだ。20年前、オーストラリアは灯油の90％を生産していたが、現在は10％を生産し、残りを輸入している。水素はこの方程式を元に戻すのです

水素飛行の前途

水素航空は決定的な局面を迎えている。その技術は有効であり、その利点は明らかだ。使用時に排出されるゼロ・エミッション、バッテリーでは達成できない長距離航続、安全性と効率性のために再構築された航空機の構造などである。次の段階は、燃料補給ネットワークを構築し、認証経路を証明し、日常の運航で水素を実用化する熱技術を展開することである。

eVTOL技術は、水素航空への主要な道であり、AMSLエアロはこのシフトの中心に位置している。ビジネスケースが最も優れているリージョナル機とeVTOL機に焦点を当てることで、我々は、水素がどのように地域社会をつなぎ、重要なサービスを可能にし、同時に航空業界の二酸化炭素排出量を削減できるかを実証する手助けをしている。かつては将来のビジョンであったものが、今では持続可能な長距離飛行を実現するための競争となっている。