우주/항공의 미래를 위한 길을 닦다 (항공/우주 분야의 수소 1/2)

우주/항공의 미래를 위한 길을 닦다

 

 우주/항공 산업은 환경에 미치는 영향을 줄여야 한다는 압력을 점점 더 받고 있습니다. 상업용 항공 여행 및 항공우주 운영은 전 세계 탄소 배출에 크게 기여하므로 이 분야는 탈탄소화의 주요 목표 중 하나입니다. 특히 신흥 경제국에서 항공 여행에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 대체 에너지원을 찾는 긴급성이 더욱 커지고 있습니다. 오랫동안 청정 에너지 운반체로서의 잠재력으로 알려진 수소는 이제 항공의 미래를 위한 혁신적인 연료로 연구되고 있습니다.

 수소의 매력은 특히 재생 가능한 자원에서 파생될 때 이산화탄소를 배출하지 않고 에너지를 생산할 수 있는 능력에 있습니다. 항공우주 산업에서 수소는 항공기, 위성, 심지어 우주선에 연료를 공급하여 더 깨끗한 하늘을 향한 길을 제공할 수 있습니다. 그러나 모든 기술 발전과 마찬가지로 인프라부터 스토리지, 확장성에 이르기까지 과제는 여전히 남아 있습니다. 그러나 항공우주 분야의 선두주자와 혁신가들은 수소가 비행의 미래를 바꿀 수 있는 잠재력을 갖고 있다고 믿습니다.

 

 

 

수소의 환경적 이점

 항공우주 분야에서 수소의 가장 큰 매력은 청정 연소 특성입니다. 수소를 연료전지에 사용하면 부산물로 수증기와 열만 발생한다. 다량의 이산화탄소, 질소산화물(NOx) 및 입자상 물질을 대기로 방출하는 기존 제트 연료와 달리 수소 동력 시스템은 항공 여행으로 인한 환경 영향을 대폭 줄일 수 있습니다.

 현재 화석 연료에 의존하고 있는 항공 산업의 경우, 수소로의 전환은 순 제로 배출 달성을 향한 기념비적인 단계가 될 것입니다. 이러한 변화는 지구 온난화를 산업화 이전 수준보다 2°C 이하로 제한하는 것을 목표로 하는 파리 협정과 같은 국제 기후 목표에 항공우주 부문이 부합하도록 도울 수 있습니다.

 

항공기 설계에서의 수소

 항공우주 분야에서 가장 흥미로운 발전 중 하나는 수소 동력 항공기의 탐사입니다. 여러 회사와 컨소시엄이 수소 연료 전지나 수소 연소 엔진으로 구동할 수 있는 비행기의 프로토타입을 연구하고 있습니다.

 수소 연료 전지에서 수소는 산소와 결합하여 전기를 생성하고, 이를 통해 전기 모터에 전력을 공급할 수 있습니다. 이 기술은 연료전지의 낮은 에너지 밀도가 문제가 되지 않는 단거리 및 중거리 비행에 특히 매력적입니다. 장거리 비행을 위해 엔지니어들은 수정된 제트 엔진에서 수소를 연소시켜 기존 항공 연료와 유사하게 추력을 생성하지만 유해한 배출물을 배출하지 않는 수소 연소 엔진의 사용을 모색하고 있습니다.

 수소 동력 비행기의 주요 차이점은 디자인입니다. 수소는 기존 제트 연료보다 부피 기준으로 에너지 밀도가 낮으므로 더 큰 저장 탱크가 필요합니다. 이러한 저장 탱크는 항공기의 동체나 날개에 통합될 가능성이 높습니다. 엔지니어들은 공기 역학이나 성능을 저하시키지 않으면서 이러한 대형 탱크를 수용할 수 있는 혁신적인 설계를 연구하고 있습니다.

 예를 들어, 에어버스(Airbus)는 2035년까지 운용될 것으로 예상되는 수소 동력 ZEROe 비행기의 컨셉 디자인을 공개했습니다. 이러한 디자인에는 화물을 보관할 수 있는 블렌드 날개 항공기와 같은 다양한 구성이 포함됩니다. 항력을 줄이면서 효율적으로 수소 연료를 공급합니다.

 

수소 저장 및 유통의 과제

 항공우주 분야에서 수소의 잠재력은 분명하지만, 수소 동력 비행기가 주류 현실이 되기 전에 몇 가지 기술적 과제를 해결해야 합니다. 이러한 과제 중 가장 중요한 것은 수소 저장 문제입니다. 수소는 가장 가벼운 원소이지만 항공에 필요한 에너지 밀도를 달성하려면 압축 가스나 극저온 액체로 저장해야 하는데 두 가지 모두 어려움이 있습니다.

- 압축 수소 : 최대 700bar(약 10,000psi)의 압력을 견딜 수 있는 고압 탱크가 필요합니다. 이러한 탱크는 실행 가능하지만 부피가 크고 무거워서 항공기 설계 및 중량 최적화에 어려움을 겪습니다.

- 액체수소 : 극도로 낮은 온도(-253°C 또는 -423°F)에서 보관해야 합니다. 액체 수소는 기체 형태보다 더 높은 에너지 밀도를 제공하지만 이러한 극저온을 유지하려면 고급 단열재와 특수 탱크가 필요하며 이는 비용이 많이 들고 설계가 복잡할 수 있습니다.

 수소 비행기에 연료를 공급하기 위한 인프라는 또 다른 과제입니다. 현재 대부분의 공항에는 수소 연료를 처리하고 저장할 수 있는 역량이 부족하며, 이러한 인프라를 구축하려면 상당한 투자가 필요합니다. 그러나 많은 업계 리더들은 수요가 증가함에 따라 전통적인 제트 연료를 위해 글로벌 급유 인프라가 구축된 방식과 유사하게 필요한 인프라가 개발될 것이라고 낙관하고 있습니다.

 

수소 항공의 현재 진행 상황

항공우주 산업의 몇몇 주요 업체들은 이미 항공용 수소 기술 테스트를 시작했습니다. 예를 들어:

- 에어버스 :  수소 동력 항공기 개념 개발에 앞장서 왔습니다. ZEROe 프로젝트는 2035년까지 수소로 구동되는 세계 최초의 배출가스 없는 상업용 항공기를 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 회사는 각각 수소를 주요 연료로 활용하는 세 가지 다른 설계를 연구하고 있습니다.

- 수소 전기 항공기 전문 스타트업인 ZeroAvia : 소형 수소 동력 비행기를 테스트했으며, 2020년 ZeroAvia는 세계 최초로 상업용 항공기의 수소 동력 비행을 완료했는데, 이는 항공용 수소의 생존 가능성을 입증하는 중요한 이정표입니다.

- Universal Hydrogen : 기존 항공기에 탑재할 수 있는 모듈식 수소 캡슐을 개발하고 있으며, 기존 항공기를 수소 연료로 운행하도록 개조하고 있습니다. 이러한 접근 방식은 오늘날의 화석 연료 동력 항공기와 미래의 수소 동력 비행기 사이의 교량 역할을 할 수 있습니다.