수소의 열적 도전: 사이먼 코번과의 Q&A, AMSL 에어로

수소는 탄소 배출이 전혀 없고 에너지 밀도가 높기 때문에 지속 가능한 항공의 미래로 여겨지고 있습니다. 수소는 항공 산업이 환경에 미치는 영향을 획기적으로 줄일 수 있는 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 하지만 연료 자체 외에도 수소 연료 전지에서 발생하는 '저급' 폐열을 관리하는 것이 핵심적인 기술적 과제입니다. 이 열은 항력을 유발하는 대형 라디에이터에 의존하지 않고도 뜨거운 주변 환경에서도 효율적으로 방출되어야 합니다. 이러한 열 관리 문제는 수소 연료전지 비행의 가장 큰 기술적 장애물 중 하나입니다.

기회와 장애물을 모두 살펴보기 위해 AMSL Aero의 수소 시스템 책임자인 사이먼 코번과 연료 전지, 냉각 전략, 수소를 확장하는 데 필요한 사항에 대해 이야기를 나눴습니다.

사이먼 코번은 무공해 항공기를 개발하는 호주 항공우주 기업 AMSL Aero의 수소 시스템 책임자입니다. 수소 추진 및 열 관리에 대한 깊은 전문성을 갖춘 Simon은 차세대 항공 분야의 최전선에 서 있습니다. 그는 연구와 실제 비행 가능한 기술 사이의 간극을 메우는 일을 하고 있으며, 수소 연료 전지가 차세대 항공에 적합한 기술인 이유를 설명하는 데 이상적인 인물입니다.

차세대 항공에 수소가 적합한 이유는 무엇일까요?

사이먼 코번: 수소를 연료가 아닌 에너지 운반체로 생각하는 것이 유용합니다. 우리는 전기를 저장하는 데 수소를 사용합니다. 탄화수소에서 탄소를 제거하면 우리가 알고 있는 가장 에너지가 높은 기체인 수소가 남습니다.

항공 분야에서는 이것이 매우 중요합니다. 화학 배터리는 출력이 매우 높지만 고에너지 장치는 아닙니다. 50킬로미터를 비행하려면 배터리를 사용하면 됩니다. 하지만 1,000킬로미터를 비행하려면 수소 연료 전지가 가장 가벼운 방법이기 때문에 수소 연료 전지가 필요합니다.

연료 전지는 새로운 기술도 아닙니다. 연료 전지 원리는 200년 전에 처음 입증되었으며, 20세기에는 NASA의 아폴로 임무를 위해 처음으로 이 기술이 적용되었습니다. 연료 전지는 우주 프로그램을 위해 개발되었습니다. 닐 암스트롱은 달에 큰 배터리를 가지고 가지 않았습니다. 그는 수소 연료 전지를 가져갔습니다. 따라서 우리는 실험적이거나 입증되지 않은 것에 대해 이야기하는 것이 아닙니다.

합성 항공 연료는 특히 기존 항공기를 계속 운항하려는 항공사에 적합한 연료입니다. 하지만 원유에서 정제된 등유보다 4~8배 더 비쌉니다. 수소는 진정한 무공해 추진력을 제공하며 물과 전기로 현지에서 생산할 수 있습니다.

수소 연료 전지와 수소 연소는 어떻게 비교하나요?

SC: 수소 연소는 1,200°C를 훨씬 넘는 고온에서 이루어집니다. 이 온도는 온실가스인 질소산화물(NOx)이 형성되는 온도입니다. 가스터빈 엔진에서 수소와 공기를 미세하게 혼합하는 방법이 유망해 보이지만 현재로서는 배기가스에서 이를 제거할 수 있는 방법이 없습니다. 반면 연료 전지는 배기가스에서 물만 생성합니다.

문제는 열 관리에서 비롯됩니다. 연료 전지는 배기 가스에서 많은 열을 배출할 수 없습니다. 연료 전지에서 나오는 냉각액은 약 80°C에서 나오는데, 외부 온도가 40°C라면 40도만 사용할 수 있습니다. 120°C에서 작동하는 자동차 엔진과 비교하면 80도 차이가 납니다.

연료 전지를 사용하면 그 무게가 절반으로 줄어들고 기존 라디에이터를 사용하면 항공기가 이륙하지도 못합니다. 저희는 연료전지로 지상 테스트 장치를 만들었는데 무게가 150킬로그램에 달했습니다. 무게와 크기 때문에 비행이 불가능했습니다.

'전기 지역 항공기에 적용하기위한 수소 연료 전지 시스템의 기능 및 안전 과제, 스테판 카줄라 외 2023 년 J. Phys: Conf. Ser. 2526 012063

액체 수소 저장은 항공기 설계에 어떤 영향을 미칠까요?

SC: 액체 수소는 약 20켈빈, 즉 영하 253°C에서 형성되며 헬륨 다음으로 가장 차가운 극저온 액체입니다. 이와 같은 극저온 공학도 잘 이해되고 성숙되어 있습니다. 액체 수소를 사용하는 이유는 저압에서 많은 양을 기내에 저장할 수 있기 때문입니다. 같은 양의 수소 가스를 저장하려면 매우 높은 압력으로 압축해야 하므로 탱크가 무거워집니다. 저희는 저압에서 작동하기 때문에 가벼운 완전 복합 액체 수소 탱크를 사용합니다.

아이러니한 점은 연료는 냉각이 아니라 가열이 필요하다는 것입니다. 연료 전지에서 발생하는 폐열을 이용해 액체 수소를 기체로 전환한 후 스택에 공급합니다. 이는 연료 전지가 자체적으로 연료를 데우는 우아한 솔루션입니다.

에서 AMSL Aero이 원칙은 당사의 설계 철학을 형성했습니다. 모든 수소, 고전압 시스템 및 고온 냉각수는 동체가 아닌 윙 포드에 보관합니다. 승객은 고전압, 수소, 고온 냉각수가 없는 중앙 동체에 앉게 되므로 인증이 더 안전하고 간편해질 것으로 기대합니다. 이러한 구조는 처음부터 실용적이고 인증 가능한 항공기를 제작하려는 당사의 접근 방식을 반영합니다.

언테더링 비행 중인 AMSL Aero의 버티이아. 수소 시험 비행은 2026년에 계획되어 있습니다.

수소 항공에서 열 관리가 중요한 이유는 무엇인가요?

SC: 스택 냉각이 열 부하를 지배합니다. 컴프레서, 가습기, 전자제품이 더 많은 열을 발생시키지만 스택이 주요 원인입니다. 자동차에서는 무거운 라디에이터를 사용할 수 있지만 항공 분야에서는 그렇지 않습니다.

열 관리는 이 항공기의 보조적인 기능이 아니라 핵심적인 설계 과제입니다. 이와 같은 항공기의 기존 냉각 설정은 무게가 쉽게 200킬로그램을 넘을 수 있습니다. Conflux와 같은 고급 열교환기를 사용하면 열 교환기를 사용하면 100킬로그램까지 크게 줄일 수 있습니다. 이렇게 줄인 무게는 한두 명의 승객을 더 태울 수 있는 양입니다.

또한 항력을 최소화하면서 상어가 헤엄치는 것처럼 공중을 가르는 듯한 비행을 원합니다. 라디에이터의 모든 평방 센티미터는 항력입니다. 냉각 지느러미를 미세하게 만들수록 더 많은 열을 제거할 수 있지만 압력 강하가 증가합니다. 시속 300km로 비행할 때 항력은 성능에 큰 영향을 미칩니다. 열 전달, 항력, 압력 강하의 균형이 전체 냉각 시스템의 효율을 결정합니다.

수소 항공은 안전한가요? 인증은 어떻게 이루어지나요?

SC: 액체 수소는 NASA, ESA, JAXA에서 70년 동안 사용되어 왔습니다. 극저온이기 때문에 적절한 교육, 절차, 정전기 방지 장비가 필요합니다. 하지만 이것은 실험적인 것이 아니라 일상적인 엔지니어링입니다.

인증은 최전선에 있는 분야입니다. 이제 규제 당국은 극저온 비등 및 냉각 루프 고장 모드와 같은 사항을 고려해야 합니다. 디지털 트윈과 예측 분석이 시간이 지남에 따라 안전성을 입증하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

조달 및 인증을 위해서는 하나의 프로토타입이 어떻게 작동하는지 보여주는 것만으로는 충분하지 않습니다. 모든 구성 요소는 반복성, 품질 보증 및 항공우주 표준 준수를 입증해야 합니다. 공급업체가 이를 대규모로 일관되게 입증할 수 있어야만 채택이 가속화될 것입니다.

에서: 초경량 항공기용 연료 전지 시스템의 동적 모델에 대한 비행 테스트 검증. Correa G, Santarelli M, Borello F, Cestino E, Romeo G. 미국 기계학회 논문집, 파트 G: 항공우주 공학 저널(Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers). 2014;229(5):917-932.

전략적 전망: 누가 먼저 수소를 채택할 것인가? 수소 항공기가 실제로 작동할 수 있을까요?

SC: 가장 먼저 도입되는 항공기는 전기비행체와 지역 항공기가 될 것입니다. 가볍고 단거리 비행이 가능하며 바다를 횡단할 필요가 없습니다.

보잉 및 Airbus 이미 장거리 액체 수소 항공기를 연구하고 있지만, 문제는 그 많은 연료를 운반하는 데 필요한 공간인 부피입니다.

AMSL Aero는 장거리 eVTOL 항공기인 Vertiia를 통해 기존 일반 항공 시장에 집중하고 있습니다. 이 부문에서 Vertiia는 항공 의료, 화물 및 여객 운송과 같은 다양한 부문에 어필할 수 있는 다목적성을 갖추고 있습니다. 수소 연료전지 항공기가 탄소 절감뿐 아니라 실질적인 사회적, 경제적 가치를 창출할 수 있는 분야입니다.

기술은 이미 작동합니다. 물리학적으로도 문제가 없습니다. 문제는 수소 항공기가 비행할 수 있느냐 없느냐가 아닙니다. 상업적으로 실행 가능한 항공기를 구성하고, 지원 인프라를 구축하고, 인증을 획득하는 것이 과제입니다. 이러한 과정이 완료되면 수소는 탄소 배출 없이 사람과 서비스를 연결하여 가장 중요한 곳에서 항공을 변화시킬 것입니다. AMSL Aero는 이를 현실로 만들고 있습니다.

수소 항공의 다음 단계는 무엇인가요?

SC: 기회는 엄청납니다. 친환경 수소는 무공해 전기가 있는 곳이라면 어디에서나 생산할 수 있습니다. 즉, 외딴 마을에서도 자체적으로 항공 연료를 생산할 수 있어 지속 가능한 항공을 위한 분산적이고 탄력적인 네트워크를 구축할 수 있습니다.

마을이나 커뮤니티에 전기와 물이 있다면 자체적으로 수소를 만들 수 있습니다. 이제 화석 연료 수입에 의존하지 않고 자신이 있는 곳에서 연료를 직접 만들 수 있습니다. 20년 전 호주는 등유의 90%를 자체 생산했지만 지금은 10%만 생산하고 나머지는 수입하고 있습니다. 수소는 그 방정식을 복원합니다.

수소 동력 비행의 나아갈 길

수소 항공은 결정적인 단계에 접어들고 있습니다. 이 기술은 사용 시 배출가스 제로, 배터리로는 불가능한 장거리 비행, 안전과 효율성을 위해 재구성된 항공기 아키텍처 등 그 이점이 분명합니다. 다음 단계는 급유 네트워크를 구축하고, 인증 경로를 입증하고, 일상적인 운영에서 수소를 실용화할 수 있는 열 기술을 배포하는 확장 단계입니다.

eVTOL 기술은 수소 항공으로 나아가는 주요 방법이며, AMSL Aero는 이러한 변화의 중심에 자리 잡고 있습니다. 비즈니스 사례가 가장 강력한 지역 및 eVTOL 항공기에 집중함으로써 수소가 어떻게 지역사회를 연결하고 중요한 서비스를 가능하게 하며 동시에 항공의 탄소 발자국을 줄일 수 있는지 입증하는 데 도움을 주고 있습니다. 한때 미래 비전으로만 여겨졌던 수소 항공은 이제 지속 가능한 장거리 비행을 위한 경쟁이 되었습니다.