일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
항공기용 초전도 모터 개발에 착수
소형에 경량, 환경 부담도 저감

환경 부담이 낮은 항공기 개발을 목표로, 연료를 태워 터빈을 회전시키는 제트엔진에서 전동 모터로 전환하려는 프로젝트가 주목 받고 있다. 규슈(九州)대학의 이와쿠마(岩熊) 교수팀은 미국의 보잉 등과 극저온에서 냉각시켜 전기 저항을 제로로 하는 ‘초전도’를 이용한 모터 개발을 추진하고 있다. 초전도를 통해 발생된 강력한 자장으로 모터를 회전, 소형에 경량이지만 강력한 동력원으로 만들 계획이다. 현재는 출력 1킬로와트의 시작기 단계이지만, 2030년에는 전기의 힘만으로 비행이 가능한 항공기가 탄생할지도 모른다.

현재의 항공기는 압력이 높아진 공기와 제트 연료를 혼합해 연소, 그 가스의 힘으로 터빈을 회전시켜 추진력을 낸다. 하지만 모터로 비행할 경우, 전기를 사용하기 때문에 방출되는 이산화탄소가 크게 줄어든다.

전동 비행기는 소형의 가스터빈으로 발전해 모터로 팬을 회전시킨다. 기체 상부에 소형 모터들을 나란히 설치한다면 양력이 높아져 필요한 연료를 줄일 수 있다.

하지만 소형기인 보잉 737형 기체를 비행시키기 위해서는 최대 20메가와트의 출력이 필요하다. 일반 모터로 출력을 내기 위한 발전기에서 모터까지 추진시스템 전체 무게는 10톤 정도가 된다. 이 때문에 가벼운 모터가 요구되고 있다.

이와쿠마 교수팀은 초전도를 이용해 모터를 소형화하는 연구에 착수하고 있다. 가스터빈으로 발전할 때와 발전 후 모터에 송전할 때에도 모두 초전도를 이용해 손실을 최소화해 효율화하는 것을 목표로 한다. 연구팀은 추진시스템 전체 중량을 2.5톤이 될 것으로 추산하고 있다.

목표로 하는 초전도 모터의 크기는 직경 50cm, 길이 약 1m이다. 이것을 기체에 복수 설치해 비행시킬 계획이다. 현재의 대형 엔진에 비해 소형화함으로써 소음을 저감하는 효과 등도 목표로 한다고 한다.

이번에 시작(試作)한 초전도 모터의 출력은 최대 약 1킬로와트. 앞으로는 소재 탐색 및 설계 개선이 중요해진다고 한다. 지금은 스테인리스 등의 사용하지만 더욱 가벼운 소재를 모색할 방침이다. 초전도를 유지하기 위해 모터 부분을 단열하고 있지만, 이처럼 단열재와 공간을 마련하는 등을 통해 온도를 유지하는 방법은 모터가 커진다는 문제가 있다.

연구팀은 3년 후에 출력을 500킬로와트까지 높인다는 목표를 가지고 있다. 목표 달성 후 3년 안에 1메가와트까지 높여 시스템을 완성하겠다고 한다. 이와쿠마 교수는 “이 정도의 능력이 있다면 개인 소유의 경비행기를 비행시킬 수 있다”라고 말한다. 2030년에는 이러한 추진시스템을 이용한 ‘초전도 비행기’ 시작기가 비행하는 모습을 볼 수 있을 것이다.

-- 플라잉카(하늘을 나는 자동차)에도 응용 --
국내에서는 연간 약 900만톤, 세계적으로는 약 5억톤의 이산화탄소가 항공기로부터 배출된다. 국제민간항공기구 등은 국제 항공수송으로 인한 이산화탄소 배출량을 2050년에 2005년의 절반으로 낮출 것이라고 선언했다. 하지만 2050년에는 항공기 수가 배증할 것으로 예상되고 있어 달성을 위해서는 대폭적인 엔진 개선이 필요하다.

전동 비행기라는 아이디어를 최초로 낸 곳은 NASA이다. NASA가 제시한 미래의 비행기는 주요 날개가 후방에 배치되어 있고, 기체의 꼬리 날개에는 소형의 전동 모터가 줄지어 탑재되어 있다. 제트 엔진이 주요 날개 아래에 설치되어 있는 지금의 비행기와는 크게 다른 모습이다.

항공기의 전동화에서는 유압을 대신해 전기로 비행 상태를 제어하는 연구 등 다양한 시도가 이루어지고 있다. 전동 모터는 독일의 지멘스 등 대기업들도 추진하고 있지만, 출력이 높은 소형 모터의 설계가 어려워 쉽게 추진되지 않고 있다. 이러한 상황에서 오랜 기간 초전도 연구를 추진해온 규슈대학의 기술에 착안한 곳이 미국의 보잉이다. 2017년부터 협력해 연구를 시작하고 있다.

규슈대학에서는 항공기 외에도 ‘플라잉 카’의 동력을 초전도로 하는 연구도 추진되고 있다. 소형이고 탑승자도 적어 1메가와트 정도의 능력이면 충분이 이용이 가능해 “항공기보다도 실현 가능성이 높을 수 있다”라고 이와쿠마 교수는 기대하고 있다.

▶ 항공기용 초전도 소형 모터의 개발 역사
- 2013년: 국제민간항공기관이 이산화탄소 배출량을 2050년에 2005년의 절반으로 낮춘다는 목표를 내걸었다.
- 2017년: 규슈대학이 보잉과 협력해 초전도 추진시스템 개발을 시작
- 2019년: 초전도 모터의 시작기 완성(출력 1킬로와트)
- 2020년대 중반: 전체에 초전도를 이용한 추진시스템 완성(출력 1킬로와트)
- 2030년대: 모든 것이 전기로 움직이는 비행기의 시작기 완성

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