수소비행기

1. 개요

2. 원리

• 동력
• 연료전지 - 느린 전기화학반응으로부터 전기를 얻어, 전동기를 돌리는 방식. 연료전지로부터 공급되는 전력으로 피스톤 엔진이나 터보프롭 엔진을 대신하는 역할을 하는 전동기를 돌려서 프로펠러를 돌리는 것이 보통으로, 수소 연료전지 자동차와 일맥상통하는 원리이다.
• 엔진( 터빈) - 수소 내연기관의 폭발적인 연소로부터 구동력을 얻어, 이를 바로 활용하거나 전기를 만들어 PHEV처럼 전동기를 돌리는 방식. 수소 연료의 연소를 곧바로 가스터빈을 통해 터보제트 엔진이나 터보팬 엔진과 같은 제트 엔진의 형태로 활용하는 수소 제트 엔진의 경우에는 수소 내연기관 자동차와 여러모로 일맥상통하는 원리의 것이 되며, 동시에 기존에도 우주개발에 사용되어 왔던 수소 로켓 엔진과도 일맥상통하는 원리의 것이 된다.
• 연료 - 수소의 보관방식들 중 가장 밀도가 높은 액화수소가 주로 검토된다.[1][2] 액화수소는 기존에도 수소 로켓 엔진의 연료로 사용되어 왔던 것이기도 하다.

3. 효능

• 화석 연료의 대체 - 유엔기후변화협약 당사국총회의 지구 온난화를 막기 위해 탄소 중립을 목표하는 환경 규제들에 의해, 화석 연료를 사용하는 차량, 열차, 선박, 비행기의 신규 생산이 근미래 중단될 것이 예상된다.
• 항공업계 일자리의 사수 - 동일한 거리에 동일한 질량의 승객과 화물을 운송시키는 데에 철도<자동차<<비행기 순으로 탄소 배출량이 차이가 난다. 이에 따라 2007년부터 대한민국에선 제주 해저터널 논의가 시작되고, 2021년부터 프랑스에선 근거리 비행 노선을 금지하고 철도를 쓰라는 정책이 나오기도 했다. # 업계의 멸종에 맞서 항공업계는 탄소 배출이 낮거나 없는 비행기의 개발이 시급해졌다.
• 항공에 적합한 에너지 저장 체계 - 항공연료(제트유)를 대체하는 에너지 저장 체계로 이차 전지보다 수소가 무게 때문에 검토된다.[3] 그리고 부피를 더 줄이고자 액화수소를 검토하는데, 액화수소의 극저온을 활용해 초전도체로 추진시스템 반도체를 교체할 경우 부피를 또 줄일 것이 기대된다.

4. 역사

4.1. 비행선

• 1783년, 수소의 부력을 이용하는 기구, 비행선이 발명되었다. 150년 가량 사용되어 왔으나 1937년에 힌덴부르크 참사가 발생하면서, 비행선에서 비행기의 시대로 넘어가게 되었다.

• 2023년, 독일의 제플린(Zeppelin)이 수소비행선을 부활시키겠다고 선언했다(?!). 2024년 제품을 선보이고 2027년 상용 노선을 만들겠다고 밝혔다. 수소의 가연성을 고도로 통제가 가능해졌다고 주장했다. #

4.2. 비행기

• 1957년 2월, 미국 NACA는 "Martin B-57B" 비행기를 세계 최초로 수소로 20분간 비행시켰다.

• 1958년, 미국 록히드 마틴의 선행개발팀 스컹크 웍스가 액체수소+엔진 비행기인 CL400 Suntan을 내놓았지만, 당시 수소의 생산, 액체수소의 보관, 공급망 등의 난항으로 연구를 접었다.

• 2003년 1월, 유럽 에어버스가 34개 협력사들과 함께 CRYOPLANE이란 프로젝트를 수행하여 타당성, 안전성, 환경적합성, 경제성 등을 종합 검토하는 보고서를 최초로 출간했다.

• 2008년 4월, 미국 보잉이 2인승 "Diamond DA20" 비행기로 세계 최초로 기체수소를 이용한 유인비행을 했다.

• 2009년 7월, 독일 항공우주센터(DLR)이 Lange Aviation과 함께 "Antares DLR-H2" 비행기를 비행시켰다.

• 2010년
• 5월, 유럽연합의 ENFICA-FC 프로젝트의 후원을 받아 토리노 대학교에서 "Kappa 77 KP 2U-SOVA" 비행기를 개조해 비행했다. 350bar 고압수소탱크, 20kW 연료전지, 20kW 배터리, 40kW 전동기로 구성되었다.
• 7월, 미국 보잉이 포드와 함께 수소엔진으로 구동하는 "Phantom Eye" 무인기를 선보였다. (비행X)

• 2011년 1월, 미국 AeroVironment Global Observer은 최초의 수소엔진 무인기를 비행했다.

• 2016년 9월, 독일 항공우주센터(DLR)의 4인승 "DLR HY4" 비행기가 비행했다. 9kg 수소탱크, 44kW 커민스 연료전지, 22kW 배터리, 120kW 모터로 구성되었다. 2시간 동안 서른 번의 시험비행을 성공적으로 완수했다. 향후 1.5MW로 출력을 확장해 40명, 운항거리 2000km로 확장계획을 밝혔다. #

• 2019년 1월, 미국이 CHEETA(Center for Cryogenic High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft, 항공기 극저온 전기기술센터) 프로젝트에 600만불을 투자해 액체수소의 항공연료화를 연구하기 시작했다. 일리노이대 필립 안셀 교수가 단장을 맡았다. #

• 2020년
• 9월, 유럽 에어버스가 수소비행기를 2035년까지 상용화 계획을 밝혔다. 이를 위해 2026년까지 기체 디자인이 확정되어야 한다. 터보프롭(100인승, 1000마일 중거리), 터보팬(200명을 싣고, 2000마일 장거리), 블렌디드윙(기존 민항기들과 달리 B-21 스텔스기처럼 삼각형의 몸체), 총 3가지 종류의 엔진-기체 개발을 목표로 잡고 있다고 밝혔다.
• 9월, 영국 제로아비아가 6인승 "Piper M-class" 비행기가 영국 크랜필드에서 15분간 비행했다. "Piper PA-46 Malibu" 비행기의 터보프롭 엔진을 연료전지로 교체한 것이다. 2023년까지 805km 운항거리의 20인승을 개발할 목표를 밝혔다. 빌 게이츠와 제프 베이조스와 로열 더치 쉘이 2140만달러를 투자했다. #

• 2021년
• 3월, 영국 Cranfield Aerospace Solutions(CAS)는 9인승 "Britten-Norman Islander" 비행기를 2022년 9월까지 수소로 개조해 시연하겠다고 밝혔다.
• 4월, 영국 제로아비아가 20인승 수소비행기용 파워트레인을 선보였다.
• 5월, 미국 제트블루가 2025년이면 수소비행기를 상용화하겠다며 2000만달러를 투자했다. #
• 7월, 독일 루프트한자항공이 함부르크공항에서 에어버스사의 A320기체를 바탕으로 수소비행기를 연구하겠다고 밝혔다. #
• 8월, 미국 플러그파워가 수소 비행기 테스트센터를 설립했다. #
• 12월, 영국의 항공우주기술연구소 (Aerospace Technology Institute, ATI)는 FlyZero 프로젝트를 개설하고, 액화수소와 수소터빈이 만나면 279인승 9500km 운항이 가능하다고 중형 항공기의 컨셉을 밝혔다. #

• 2022년
• 1월, 미국 보잉은 NASA와 수소 연료전지 비행기를 연구하기 시작했다.
• 2월, 유럽 에어버스가 플러그파워와 수소 연료전지 비행기를, 샤프란-GE와는 수소 엔진 비행기를 연구하기 시작했다. # 테스트베드는 A380 기종으로 골랐다. #
• 3월, 미국 Pratt & Whitney가 2035년까지 수소용 가스터빈을 개발하겠다고 했다.
• 4월, 미국 GTL이 150kg 액화수소 탱크를 개발했다. 3.3MW급 연료전지에 달아 헬리콥터를 만들겠다고 했다. #
• 4월, 유럽과 영국에서 수소터빈을 연구할 H2JET, 수소연료전지를 연구할 H2GEAR 프로그램에 여러 기업이 참여했다. #
• 4월, 유럽 에어버스가 액화수소의 극저온을 활용해 추진시스템을 초전도체로 교체할 계획을 발표했다. #
• 5월, 유럽 에어버스가 액화수소 연구에 앞선 일본 가와사키중공업과 협력을 발표했다. #
• 5월, 영국 제로아비아가 연도별 용량별 출시할 비행기 기종을 발표했다. # 그리고 미쓰비시 중공업과 제트기엔진의 공동연구소를 건설할 계획을 밝혔다. #
• 5월, 대한민국 현대자동차가 '프로젝트N' 개발성과를 발표했다. 2021년 2월 대한민국에서 첫 수소연료전지 항공기 등록을 받았음을 밝혔다. #
• 6월, 유럽 에어버스가 액화수소 연구에 앞선 영국 린데와 협력을 발표했다. #
• 6월, 독일 아푸스가 항공기 i-2를 전시했다. 파워셀 연료전지, 코테사 수소탱크, 헤게만 공급시스템, 롤스로이스 파워시스템을 이용한다. #
• 7월, 영국 롤스로이스가 ATI의 FlyZero 팀에 합류해 수소엔진 방식을 협력하겠다고 발표했다. # 또한, 현대자동차와는 수소연료전지 방식을 협력해 RAM(Regional Air Mobility·지역 간 항공 모빌리티), AAM(Advanced Air Mobility·미래항공모빌리티)을 2025년까지 만들겠다고 발표했다. #
• 7월, 영국 제로아비아로부터 5개 항공사(에드먼튼공항, 빌뇌브공항 등)와 아마존으로부터 1억달러 이상의 투자를 받았다. ZA600(9-19인승용 연료전지)를 2024년까지 100여대를 납품할 예정이다. ZA2000(40-80인승용 연료전지)가 2026년에 나오면 게임체인저가 될 것이라고 예측했다. #
• 10월, 아메리칸에어라인이 미국 유니버설수소에 투자했다. 유니버설수소는 기존 비행기들의 파워트레인을 연료전지로 교체하는 모듈과, 그린 수소를 판매하는 회사다. #
• 11월, 영국 제로아비아가 스코틀랜드 AGS공항운영사에도 납품계약을 했다. #
• 11월, 유럽 에어버스가 2026-2028까지 액화수소탱크를 만들어 A380 MSN1 항공기에 싣겠다는 목표를 밝혔다. #
• 11월, 유럽 에어버스가 아리안그룹(ArianeGroup, 유럽 우주국 산하, 세계 위성발사 점유율 절반)의 도움을 받아 프랑스 블라냑 공항 툴루즈에 2025년까지 액화수소 충전시설을 건설하겠다고 밝혔다. 아리안그룹은 수소비행기 설계-생산-운영 전반을 돕겠다고 밝혔다. #
• 11월, 미국 조비에비에이션의 자회사 독일 H2FLY가 액체수소탱크 진동 누출테스트를 통과했다. #
• 12월, 프랑스 블루스피릿에어로가 다쏘의 3D설계 프로그램을 이용해 시뮬레이션을 하겠다고 밝혔다. #
• 12월, 영국 롤스로이스와 항공사 이지젯은 AE2100을 개조한 수소 제트엔진을 공개 테스트했다. #

• 2023년
• 2월, 대한민국 인천국제공항에 액화수소 설비가 들어선다. 우선은 수소버스의 차고지로 쓸 예정이지만 후일 수소비행기로 활용할 수 있다. #
• 2월, 영국 제로아비아가 네덜란드의 로테르담-헤이그공항(RTM)과 영국 버밍엄공항과 협력 계약을 했다. RTM에서 2025년 상용 비행노선을 만들 계획이다. #
• 3월, 미국 조비에비에이션[4]의 자회사 독일 H2FLY가 에어리퀴드사와 협업해 액화수소 저장기술에 집중중이라고 밝혔다. #
• 4월, 영국 베스대학 샤오제 페이 연구팀은 수소비행기의 초전도체 파워트레인 개발에 나섰다. #
• 7월, 영국에 에코젯이 창업하며 세계 최초 전기항공사를 목표했다. 먼저 19인승 수소엔진 비행기로 에든버러-사우샘프턴 노선을, 다음은 70인승 영국-유럽 노선을 만들겠다고 했다. 기존 항공사와 요금은 동일 수준이 될 것으로 보았다. #
• 8월, 프라스 비욘드에어로(Beyond Aero)가 1MW급 파워트레인을 선보였다. #
• 9월, 미국 유니버셜하이드로젠(Universal Hydrogen)이 기존 비행기를 액화수소비행기로 전환하는 설계를 항공국으로부터 인가받았다. #
• 9월, 미국 조비에비에이션의 자회사 독일 H2FLY가 세계 최초로 액체수소를 이용한 유인비행을 완료했다. #
• 10월, 네덜란드 비행제작사 포커(Fokker)가 프랑스 3D프로그램사 다쏘(Dassau)에게 수소비행기 설계를 의뢰했다. 다쏘는 PLM자회사 케오니스(Keonys)에 맡겼다. #
• 11월, 한국재료연구원이 주행거리 770km, 연속운전 11시간이 가능한 1kW급 PEMFC 연료전지를 선보였다. #

• 2024년
• 1월, 유럽 에어버스가 독일 함부르크에 연구센터(ZEDC)를 설립하고 액화수소 추진시스템을 연구하기로 한다. #
• 1월, 유럽 에어버스가 수소연료전지를 적용한 A380을 2026년 시험비행할 계획을 밝혔다. #
• 2월, 유럽 에어버스가 싱가포르 창이 공항을 수소 충전 허브로 하여, 2035~2040년 중 수소비행기 노선들을 취항하겠다고 밝혔다. #

4.3. 멀티콥터

• 2019년
• 5월, 유럽 에어버스의 자회사 에어버스헬리콥터가 모델명 시티에어버스(CityAirbus)의 무인 시험비행에 성공했다. 4인승으로, 80km를 날며, 시속 120km가 가능하다. 영문위키
• 6월, 미국 알라카이(Alakai)가 항공택시 모델명 스카이(Skai)를 선보였다. 5명의 손님을 태우고 최대 4시간 최대 400마일(약 640km)을 비행 가능하다. 액화수소 400L를 연료로 쓴다. #

• 2021년
• 4월, 한국항공우주산업이 2025년까지 요소기술 특화, 2029년까지 단독모델 출시로 비전을 세웠다. #

• 2022년
• 1월, 한화에어로스페이스가 항공용 모빌리티 연료전지 경량화 기술개발 국책과제를 수주했다. #
• 2월, 한화에어로스페이스가 미국 오버에어(OverAir)와 개인용(PAV) 모델 '버터플라이'를 2035년까지 상용화할 계획을 밝혔다. 2시간 편도비행 용량으로, 현대자동차의 PAV 컨셉 S-A1과 거의 동일한 외관이다. #
• 2월, 현대자동차 AAM본부의 '프로젝트 N'[7]이 '국내 최초 수소연료전지 항공기'로 감항인증을 받았다. 직경 6m, 최대 이륙중량 700kg이다. #
• 7월, 현대자동차의 UAM 자회사 슈퍼널이 영국 롤스로이스와 수소연료전지 시스템을 2025년까지 공동 연구하기로 한다. #

• 2023년
• 5월, 한국항공우주산업은 19인승 수소연료전지 RAM(커뮤터기)를 개발하겠다고 밝혔다. #

5. 관련 문서

• 수소
• 수소경제
• 수소자동차
• 수소 열차
• 수소선박
• 전기비행기 - 수소연료전지를 떠나서, 애초에 연소 아닌 전기 동력이 초기 단계다.