「電気飛行機」の時代は2045年にやってくる──その実現に向けたシナリオ
飛行機の未来について考えたとき、やはり思い浮かべるのは電気飛行機だろう。空飛ぶタクシーが高層ビルから高層ビルへと飛び回り、飛行機が静かに大海原をクルーズするように。どこにでも自由に行ける未来の旅行者が、はたして化石燃料に頼ることになるなんてあるのだろうか。
電気飛行機は誇大宣伝されがちだが、航空宇宙企業やヴェンチャー企業が展開しているコンセプトはほとんど実現不可能と言っていい。空を飛ぶには大量のエネルギーを必要とするため、電気エネルギーで飛行するには蓄電技術の一大革新が必要となる。もしくは、飛行機専門家のリチャード・アブーラフィアが話す、空飛ぶクルマのアイデアのような「飛行機の奇跡」が必要となる。
先行するEVの状況を考えてみる
問題は電気飛行機を実現させるには、現状は必要な動力対重量とコストを提供できておらず、今後もしばらく提供できないということである。テスラの「モデルS」が335マイル（約540km）の走行を可能にし、シボレーが「ボルト」から200マイル（約320km）を絞り出すことを可能にした程度の技術改善では、最小の飛行機を最小限度の距離を飛ばす以上の動力を十分提供できない。
そこで質問だ。この飛行機の未来のために、どれくらいの“奇跡”が必要なのか。そして、その奇跡が起きる可能性はあるのだろうか。
現在の調査では楽観的だ。電気自動車（EV）について考えてみよう。テスラの最も堅牢なセダンであるモデルSは販売価格が「6桁のドル」（1000万円台）とはいえ、満充電で335マイルを走る。シボレーは現在、走行距離238マイルで30,000ドル（約336万円）するコンパクトカーのボルトEVを売り出している。
そしてテスラは2017年夏、新車種「モデル3」で巻き返し、EVの地位をもっと強固なものにするに違いない。一方、化石燃料を必要としない1人か2人乗りの飛行機は、訓練には最適なものだが、空港間を移動するようなものではない。
エンブリー・リドル航空大学の飛行研究センターを運営するリチャード・パット・アンダーソンは、「誰もがEVを見て、電気飛行機も同じように動くだろうと考えたのだと思う」と指摘する。「でも、これらは異なるものだ。車は手軽な費用でコンパクトなバッテリーが必要だが、飛行機の場合はコストはそこまで気にしない。重要なのは“重さ”だ」
エネルギー密度は、どこまで高まるか
走行距離や動力は気にせずに、重量を軽くしなければならないため、エネルギー密度が非常に重要な数値となる。現在、バッテリーのエネルギー密度は、液体燃料の約2パーセントだ。そのうち、エンジンと比べた電力伝導機構の効率性を考慮すると、ようやく7パーセントに近くなる。つまり、1000ポンドのジェット燃料は、1000ポンドのバッテリーの14倍のエネルギーを生み出すというわけである。
「これは、すでに大いに進化しています」と、シカゴにあるアルゴン国立研究所のバッテリー科学者、ヴェンカット・スリニヴァサンは言う。バッテリーのエネルギー密度は、毎年2〜3パーセントほど向上している。実際、テスラのクルマは毎シーズンごとに走行距離が伸びている。「電子工学ではなく科学の分野なので、ムーアの法則と同等ではありませんが、それでもかなりいいと思います」
さらに、バッテリーは液体燃料の量と同じである必要はない。もし現在の5倍の（1000ワット時/kgとなるような）密度に達することができれば、小規模ではあるものの商業用の飛行機として機能するだろうと、アルゴンの交通研究センターディレクターのドン・ヒルブランドは言う。予想される到達時期は2045年だ。
「この1000ワット時/kgという数字は、ガソリンのエネルギー密度の3分の1程度ですが、それで十分なのです」と、ヒルブランドは言う。「伝導機構の効率性の相対的差異を考慮したうえで、現在のイノヴェイションのペースでいけば、バッテリー性能が上がって小規模飛行機の実用化が期待できます」
ある種の近道を示唆している人もいる。「飛行機の動力源を電気にすることで、新しいデザインアーキテクチャが可能になります」と、カーネギーメロン大学のバッテリー科学者ヴェンカット・ヴィスワナタンは話す。「未来の電気飛行機は、現在の飛行機とは似ても似つかないものになり、分散化されたモーターと低減された抗力のおかげで、ずっと少ない1キログラム当たり400ワット時/kgエネルギー程度で飛行できるようになるでしょう。われわれは電気モーターを中心に飛行機を再設計することになるのです」
言うのは簡単だ。しかし実行するのは難しい。飛行機の進化は数十年という単位で測られるので、ヴィスワナタンが想像する飛行機が上記の1キログラム当たり1000ワット時/kgのバッテリーより前に登場する可能性は低い。
「新しいバッテリー」の誕生
それでは、どうすればそのようなエネルギー密度に到達できるのだろうか。最も可能性が高い方法は、現在主流のリチウムイオンに代わり、新たなバッテリー用の化学物質が登場することだ。マグネシウム電池は密度の面では優れているが、この技術はまだ未熟であり、商用化できるまでまだ数十年かかるだろう。
「不燃性の固形リチウムも魅力的だが、リサイクルできません」と、ヒルデブランドは言う。これでは消耗したら終わりだ。「ナトリウムイオン電池は非常に高度な循環機能をもつことがとても魅力的だが、エネルギー密度は低いのです」
アルゴンのスリニヴァサンは、ある種のリチウム金属電池が次のステップになると予測している。これは、これまでの研究に基づいたもので、何度も充電でき、リサイクルの過程でバッテリー内に形成される可能性がある結晶の一種である「デンドライト」を減らす。デンドライトはバッテリーの短絡を起こし、発火につながる可能性がある。
とはいえ、「この5年間で大きな進化を遂げました」と、スリニヴァサンは話す。「5年前は楽観視できる状況ではなかったが、いまはリチウム金属がうまくいくだろうと、とても楽観的でいます」
この問題が解決されれば、硫黄や酸素など、もっとほかの物質への道も開かれるだろうと彼は言う。後者は、カーネギーメロン大のヴィスワナタンと同僚たちが積極的に研究し、導いた解決策だ。彼らは、飛行にとって最適となる可能性がある「リチウム空気電池」を探求している。
このリチウム空気電池は、1キログラム当たり400ワット時/kgのエネルギー密度に達する可能性があり、これで200〜400マイルの飛行が可能となる」と、ヴィスワナタンは言う。海は超えられないだろうが、多くの短距離ルートが範囲に入るだろう。
ここで鍵となるのは、酸素がバッテリーのマイナス極とプラス極の間で電解質に分離されることで、充電と排出の繰り返しに耐えられる電解質を安定して供給できる可能性があるということだ。そして、多くの飛行機はすでに、このシステムに必要な酸素を積みこんでいる。「これは自然にシステムに統合できます」と、ヴィスワナタンは言う。
依然として、実用可能な技術と商用化の準備が整った技術との間には溝がある。「われわれにはより実用的なものが必要です。冷却システムが必要だし、すべてを箱のなかに収納する必要もある。こうしたものすべてが重量と容量の足を引っ張るのです」と、アルゴンのスリニヴァサンは言う。「われわれの仕事は技術によって量産化を実現することです。しかし、こうした技術革新が販売可能な状態になるまでにも、量産できるようになるまでにも時間がかかります」
研究の閉鎖性が大きな壁になる
バッテリー研究が、秘密主義的な企業内での研究と、オープンな大学の研究所に分散しているのは無意味だ。これでは革新と市場の需要がうまくかみ合わない。オープンな半導体産業と比べると、バッテリー技術にはコミュニティで切磋琢磨する努力が欠けている。
「われわれは半導体産業の専門家たちのようなエコシステムを必要としています」とスリニヴァサンは言う。「科学者と企業との間には密接なつながりが必要なのです。これが唯一の道だと思います」
もちろん、バッテリー研究者たちは巨大な壁に直面している。しかし、現在のようなバラバラの状態でも希望がもてる理由がある。「例えば、自動車と飛行機の両方を自動運転化することが、電動化に大いに役立つ可能性がある」と、ヒルブランドは言う。自動走行が成熟すれば、ドローンタクシーの発展が促されるだろう。それは、都市ネットワーク内では大変魅力的であり、電動化を推進することになる。
「すべてのことがある時点で収束し始める。自動運転車の技術、EV、ドローンの発展、電気飛行機が、互いに強めあい、技術が進んでいくかもしれない」
実際にどうなるのか──。それは2045年に確かめてみたい。RELATED
ボーイング、完全自動運転のジェット機を開発へ──でも「ほぼ自動」は、すでに実現している
