전기항공기와 드론 – 전기의 힘으로 하늘을 날다

델리 행 비행기가 11시 50분에 출발합니다. 공항까지는 15분이 걸립니다. 오늘은 지하철이나 자동차를 타지 않습니다. 아파트 밖에 에어 택시가 기다리고 있습니다. 에어 택시 문이 조용히 닫히고 윙윙 소리와 함께 공중으로 날아오릅니다. 아래 도로에서는 교통 혼잡이 심합니다. 에어 택시는 전기 모터로 조용히 배기가스 없이 비행합니다. 터미널에 내려서 하이브리드 비행기로 갈아타면, 비행기는 정시에 이륙하여 인도를 향해서 날아갑니다. 배기가스 배출이 크게 줄어듭니다.

이것은 아주 먼 미래의 일처럼 들리지만, 몇 년 내에 실현될 수도 있습니다. 컨설팅 회사인 Roland Berger에 따르면, 항공기도 전기를 동력으로 사용하게 될 것입니다. “문제는 전기를 사용하느냐 마느냐가 아니라, 전기 비행기가 언제쯤 상용화 될 것인가” 입니다. 이미 전세계에서 수십개의 항공기 프로젝트가 진행되고 있습니다. Roland Berger는 70개 모델을 조사했는데, 이 모두가 늦어도 2030년까지 비행에 나설 예정이라고 합니다.

전기 항공기와 드론

전기 승용차상업용 전기차는 이미 도로 위를 달리고 있습니다. 미래에는 멀티콥터 같은 전기 항공기를 흔히 볼 수 있게 될 것입니다. 멀티콥터는 여러 개의 로터를 장착한 드론을 말합니다. 전기 항공기는 충전된 온보드 배터리에서 구동 에너지를 얻습니다. 드론 같은 소형 비행기는 전기만으로 비행할 수 있지만, 15인승 이상의 대형 항공기는 아직은 이차 에너지 공급원이 필요합니다.

전기 항공기의 이점은 무엇일까요?

전기 항공기는 무엇보다 환경에 유익합니다. 독일 연방 환경청에 따르면, 통상적인 항공기는 승객 킬로미터당 약 214그램의 온실가스를 배출합니다. 그런데 내연 엔진 자동차는 140그램밖에(!) 배출하지 않습니다. 기술이 발전하면서 항공기의 온실가스 배출량이 감소하고는 있지만, 총 비행 마일이 크게 증가하고 있습니다. 미래에는 점점 더 많은 승객들이 항공기로 여행할 것입니다: 통계 포털인 Statista에 따르면, 이 승객 수가 2017년에 사상 최초로 40억 명을 돌파했다고 합니다. 그리고 2036년에는 이 숫자가 78억 명으로 거의 두 배로 늘어날 것이라고 합니다.

현재는 전세계 CO2 배출량에 있어서 항공기가 차지하는 비중은 약 2.4퍼센트입니다. 그런데 ICAO(국제 민간 항공 기구)에 따르면, 2040년에는 항공기 운항의 증가로 이 비중이 4배 증가할 것이라고 합니다. 그런데 항공기가 배출하는 물질은 CO2뿐만 아닙니다. 질소 산화물, 수증기, 미세먼지도 발생시킵니다. 이러한 것들은 환경에만 영향을 미치는 것이 아니라 우리들 건강에도 악영향을 미칩니다.

이에 항공 업계는 2050년까지 CO2 배출을 75퍼센트 감축한다는 야심 찬 목표를 세웠습니다. 2020년부터는 항공사들이 배출량에 따라서 비용 부담을 하게 되었습니다: ICAO 회원들이 CO2 배출량에 따라서 상계를 하고 배출권을 구매할 수 있도록 합의한 것입니다. 다시 말해서 배출량이 적은 항공사가 배출량이 많은 다른 항공사에 배출권을 판매할 수 있도록 하였습니다. 또한 2050년까지 항공기에서 발생되는 소음을 60퍼센트 줄이기로 했습니다. 현재 특히 이륙과 착륙 시의 소음이 소음 공해의 주범이 되고 있습니다.

어떻게 해야 이러한 목표를 달성할 수 있을까요? 전기 구동 항공기가 해답이 될 수 있습니다. 전기 항공기는 이륙 시에 시끄러운 제트 엔진이 아니라 소음이 적은 전기 모터로 추진을 하기 때문에 소음이 훨씬 적습니다. 그러면 야간 시간에 비행을 금지할 필요가 없습니다. 또한 기존 항공기와 달리 전기 항공기는 온실가스를 배출하지 않습니다. 더 나아가서 신재생 에너지 원에서 생산된 전기를 사용한다면 완벽하게 CO2 중립적이 될 수 있습니다. 또 다른 이점은, 전기 모터는 고장이 덜 난다는 것입니다. 훨씬 더 적은 수의 부품들로 이루어지며 오일, 냉각수, 배기관, 기어가 필요하지 않습니다. 그러므로 유지보수가 덜 필요합니다. 또한 전기 구동 시스템은 공기 밀도, 온도, 속도에 관계없이 안전한 비행을 할 수 있도록 필요한 토크를 제공합니다.

이처럼 전기 항공기는 다양한 이점들을 제공합니다. 연료 가격이 상승하고 관련 규정들이 엄격해짐에 따라서 항공기의 전기화가 장려되고 있습니다. 2035년에 이르면 모든 항공기 구동 시스템의 45퍼센트 이상이 부분적으로나마 전기화 될 것으로 전망됩니다.

전기 항공기로 나아가기 위한 과제

하지만 기술적 관점에서 항공기의 진화는 결코 쉽지 않습니다. 에어버스의 CEO인 Tom Enders는 전기 비행이 “우리 시대의 가장 어려운 산업적 과제”라고 말하고 있습니다. 모든 비행을 전기로 하는 시대가 오기까지는 수십 년이 더 걸릴 것입니다. 초기에는 도심 지역에서 택배나 승객 운송 용 멀티콥터에 전기 구동이 사용될 것입니다. 2025년 즈음에는 이러한 항공기가 소규모 착륙장에서 수직으로 이륙하게 될 것입니다. 그 다음 단계에서는 최대 1,200킬로미터 거리의 비행이 가능해질 것입니다. 장거리 전기 항공기는 좀더 시간이 걸릴 것입니다.

기술적 과제뿐만 아닙니다. 비행 물체 자체가 문제가 될 수 있습니다. 전기 드론이나 에어 택시로 개인 항공 교통이 대중화 될 것입니다. 그런데 도시에서 너무 많은 드론이 비행하게 되면, 안전을 위해서 비행 항로나 착륙장 등에 대한 규제가 필요하게 될 것입니다. 또 다른 문제는 많은 전기 에어 택시가 자율 비행을 할 것이라는 점입니다. 그러면 충돌을 방지하기 위해서 최소 거리에 대한 규정을 마련해야 할 것입니다.

택배 드론과 전기 에어 택시

현재 우리가 목격하는 드론은 대부분 무인으로 오락용이나 촬영용으로 사용되고 있습니다. 이러한 드론은 이미 전기로 구동되고 있습니다.  머지 않은 미래에 멀티콥터와 VTOL 항공기가 점점 늘어날 것입니다. VTOL은 수직 이착륙을 말합니다. VTOL 항공기는 몇가지 활용 사례가 가능합니다. 소형은 택배 용으로 활용 가능하고, 대형은 사람을 실어 나를 수 있습니다.

전기 항공기의 시작인 택배용 드론

미국의 전자상거래 회사인 아마존은 2013년에 “Prime Air”라는 최초의 택배용 드론을 발표했습니다. 이 드론은 최대 16킬로미터 거리로 2.5킬로그램 중량의 물건을 배달할 수 있습니다. 구글, DHL, UPS, DPD, 보잉과 중국 회사인 JD.com 역시 택배 용 전기 드론을 개발하고 있습니다. 일본, 두바이, 싱가포르, 스위스 등지에서 시험 비행을 시행했습니다. 미국에서는 연방 항공국(FAA)에서 엄격한 규정 하에 택배용 드론 사용을 허가하고 있습니다. 하지만 인구 밀집 지역에서는 드론 비행이 허가되지 않으므로 가정으로의 택배는 불가능합니다. 독일은 현재 항공 택배를 허가하지 않습니다.

다음 단계: 전기 에어 택시

다음 단계로 전기 멀티콥터가 물건만 배달하는 것이 아니라 승객도 실어 나를 것입니다. Porsche Consulting에 따르면, 2025년 즈음에 최초의 상업용 에어 택시가 등장할 것이라고 합니다. 그리고 10년 후에는 이 숫자가 23,000대로 늘어나고, 승객 운송으로 320억 달러를 벌어들일 것이라고 합니다. 뮌헨 공항에서 도심까지 10분이 걸리고 요금은 100유로가 될 것이라고 합니다. 이미 여러 업체들이 에어 택시 개발을 진행하고 있습니다. 어떤 것들은 헬리콥터와 같을 것이고, 또 어떤 것들은 경비행기 같을 것입니다. 항공기의 조정은 한두 개 조이스틱을 사용해서 간단하게 할 수 있을 것입니다.

두바이는 가까운 미래에 승객용 드론을 택시로 사용할 계획이며, 이를 위해서 독일 스타트업 회사인 Volocopter와 협력하고 있습니다. 2017년에 “Volocopter 2X”라고 하는 전기 에어 택시는 60미터 고도에서 무인 시험 비행을 했습니다. 다른 회사들도 에어 택시를 개발하고 있습니다. 에어버스에서 분사된 A3는 2020년부터  “Vahana” 양산에 들어갈 수 있을 것으로 보고 있습니다. 또한 시티에어버스는 4인승 에어 택시를 연구하고 있습니다. 우버는 2023년안에 미국 도시들에서 “Uber Air”라고 하는 에어 택시 서비스를 출범하고 이를 위한 착륙장을 운영할 계획입니다. 뮌헨 인근에 소재한 스타트업 회사인 Lilium Aviation의 “Jet” 역시 에어 택시로 개발되고 있습니다. 탄소 캡슐 형태로 두 사람을 태울 수 있습니다. 중국은 전기차에 있어서 앞서 있는 나라로서, 전기 에어 택시 또한 만들고 있습니다. 4미터 x 4미터 크기의 “Ehang 184”에는 한 사람이 탈 수 있습니다. 영국 자동차 회사인 롤스로이스는 하이브리드 전기 드론을 개발하고 있습니다. 이 드론은 가스 터빈을 사용해서 전기를 생산합니다. 이 5인승 드론은 빠르면 2025년부터 양산에 들어갈 계획입니다.

이러한 전기 에어 택시들의 비행 가능 거리는 제각각 입니다. 대개는 16킬로미터에서 300킬로미터 사이입니다. 이 정도면 도시 내에서 이동하기에는 충분할 것입니다. 속도는 시속 130킬로미터에서 320킬로미터까지입니다. 롤스로이스의 하이브리드 모델은 더 빠르고 더 멀리까지 비행할 수 있는데, VTOL 항공기로서 시속 400킬로미터로 800킬로미터의 비행 거리가 가능합니다.

자율 비행이 자율 주행보다 먼저 구현될까요?

많은 에어 택시가 완전 자율로 비행하거나 적어도 자율 비행 옵션을 제공할 것입니다. 그러한 예로서 Volocopter는 조종사가 운전하거나 또는 자율로 비행할 수 있습니다. 중국의 “Ehang 184” 같은 모델은 완전 자율로 비행합니다.

전기 비행기는 19세기에 이미 존재했습니다.

전기 비행기는 19세기에 이미 존재했습니다.

전기 구동 항공기는 21세기의 산물이 아닙니다. 프랑스 발명가인 아르튀르 콘스탄틴 크레브스는 1878년에 찰스 레나드, 아드리앵 두테 프와트뱅과 함께 자신의 전기 비행선인 “라 프랑스(La France)”를 조종해서 비행했습니다. 이 비행선은 6.25kW 전기 모터를 장착했습니다. 6년 후에 “라 프랑스”는 23분간 비행했으며 시속 19.8킬로미터의 속도를 달성했습니다. 같은 시기에 알베르 형제와 가스통 티산디어 역시 전기 구동 비행선을 제작했습니다.

최초의 유인 전기 항공기는 1973년 오스트리아에서 처음으로 이륙했습니다. Militky MB-E1이라고 하는 이 항공기는 15kW 모터를 사용해서 9분에서 14분 사이를 비행할 수 있었습니다. 20세기에 많은 업체들이 전기 항공기와 헬리콥터를 연구했으나, 대부분 배터리 용량 부족 때문에 성공하지 못했습니다.

전기 항공기와 하이브리드 항공기

대기업들과 스타트업들은 소형 에어 택시뿐만 아니라 여러명의 승객을 운송할 수 있는 전기 항공기를 연구하고 있습니다. 몇 년 있으면 단거리 용으로 사용되는 것을 보게 될 것입니다. 하지만 장거리 비행 용으로는 시간이 좀더 걸릴 것입니다.

전기 항공기

Easyjet은 전기 항공기에 대한 구체적인 계획을 가지고 있습니다. 미국 스타트업인 Wright Electric과 협력해서 최대 150인승 용 전기 항공기를 제작하고, 2027년 안으로 비행에 착수한다는 계획입니다. 이스라엘의 스타트업 Eviation의 “Alice” 역시 계획 단계에 있습니다. 9인승 모델이고, 900kWH 리튬이온 배터리를 장착합니다. 또 슬로베니아 회사인 Pipistrel의 2인승 전기 항공기는 양산에 들어갈 채비를 마쳤습니다. 50kW 모터와 21kWh 배터리 팩을 장착하고 한 시간 가량 비행할 수 있습니다.

하이브리드 항공기

현재로서는 배터리 용량이 제한적이기 때문에, 몇몇 회사들은 하이브리드 구동 시스템을 연구하고 있습니다. 보잉은 미국 스타트업 Zunum Aero와 손 잡고 국내선 하이브리드 제트기를 개발하고 있습니다. 2022년 안으로 12인승 항공기를 시장에 내놓는다는 야심 찬 계획을 세우고 있습니다. 이 항공기는 2개 전기 모터와 터빈, 전기 발전기를 장착합니다. 에어버스는 롤스로이스 및 지멘스와 함께 중거리 용으로 100인승 항공기를 제작하고 있습니다. “e-Fan X”라고 하는 이 항공기는 3대의 가스 터빈과 한 대의 전기 모터를 사용합니다. 이를 위해서 지멘스는 2MW 모터를 개발하고 있으며, 롤스로이스는 가스 터빈을 제공합니다. 이렇게 해서 발전된 전기는 배터리에 저장됩니다. 이 제트기를 2025년에서 2030년 사이에 상용화할 계획입니다.

영국 스타트업 Starling은 Volocopter처럼 수직으로 이착륙하는 하이브리드 제트기를 선보였습니다. 도시에서 플라잉 버스로 사용될 수 있습니다. 동체에 전기 프로펠러를 장착했습니다. 공중에서 엔진이 수직 상향으로 회전하고, 디젤 엔진이 가속을 돕습니다.

전기 및 하이브리드 항공기의 비행 거리

현재 전기 및 하이브리드 항공기는 유럽 내에서나 미국 내에서 무난히 비행할 수 있을 정도입니다. 계획에 따르면 540~1,200킬로미터의 거리를 비행할 수 있을 것입니다.

노르웨이의 전기 비행 구상

노르웨이의 전기 비행 구상

노르웨이는 e-모빌리티에 있어서 선도적인 나라입니다. 도로에서뿐만 아니고 하늘에서도 그렇습니다. 스칸디나비아 반도의 이 나라에서는 막대한 보조금 지원에 힘입어서 2017년에 최초로 하이브리드 및 전기 구동 차량이 내연 엔진 차량보다 더 많이 등록되었습니다. 2025년부터 노르웨이에서는 청정 차량만 판매할 수 있습니다. 그런데 여기에 그치지 않고, 2040년부터 이 나라에서 모든 근거리 비행이 전기로 이루어질 것으로 보입니다. 노르웨이 정부는 공기업 Avinor가 이에 관련된 계획을 수립하도록 했습니다. 이에 따라서 빠르면 2025년에 최초로 전기 항공기가 상업 항로를 비행하게 될 것입니다. 노르웨이 정부는 또 기업들이 전기 항공기 개발에 투자하도록 장려하기 위한 인센티브 프로그램을 운영하고 있습니다.

드론과 전기 항공기 기술

제트 연료로 구동되는 항공기는 이륙 시 제트 엔진의 높은 출력이 필요하고 고도가 높아지면 필요한 출력이 줄어듭니다. 이와 비교해서 전기 항공기는 내연 엔진이나 제트 추진이 전혀 필요하지 않습니다. 대신에 온보드 배터리에 저장된 전기로부터 에너지를 얻고 이것을 모터와 로터로 제공합니다. 하이브리드 항공기는 배터리를 사용해서 추가적인 에너지를 지원합니다.

전기 항공기의 기술적 과제

순수 전기 항공기는 배터리에서 전기를 얻습니다. 이스라엘 회사 Eviation의 항공기는 꼬리와 날개에 알루미늄-공기 배터리를 탑재합니다. 그런데 배터리 무게가 2,700킬로그램에 달합니다. 전체 항공기 무게는 5,400킬로그램입니다. 배터리가 여전히 매우 무겁다는 점이 항공기 제조업체에게 중요한 문제로 남아있습니다. 무게를 1킬로그램 줄일 때마다 연비가 높아집니다. 전기 항공기의 또 다른 과제는 배터리의 낮은 전력 밀도인데, 1킬로그램 제트 연료 에너지의 3퍼센트만 저장할 수 있습니다.

전기 항공기를 어떻게 충전할까요?

이것이 또 다른 어려운 과제입니다. 전기 항공기 배터리를 충전하는 것은 전기차처럼 쉽지 않습니다. 전기차는 충전소로 가서 차종에 따라서 적어도 1시간 이상 머무릅니다. 하지만 항공기는 멈춰 있는 시간이 길수록 손해입니다. Pipistrel의 2인승 항공기는 소형 항공기가 이 문제를 어떻게 해결할 수 있는지 보여줍니다. 배터리를 수분 내에 교체하거나 1시간 만에 충전할 수 있는 것입니다.

비행 도중에 어떻게 에너지를 생성할까요?

또 다른 방법이 있습니다. 비행을 하면서 일부 에너지를 회수할 수 있습니다. 이를 위해서 다양한 기술이 시도되고 있습니다. Pipistrel 항공기는 유휴(idle) 모드로 착륙할 때 소모되는 에너지의 13퍼센트 가량을 회수합니다. DC-AC 컨버터를 사용해서 전기차처럼 에너지를 회수하고 배터리로 돌려보낼 수 있습니다. Bye Aerospace의 2인승 모델 “Electric Sun Flyer 2”는 활주를 하면서 전기를 생성할 수 있습니다. 부딪히는 공기에 의해서 프로펠러가 회전하기 때문입니다. 다시 말해서 모터가 발전기처럼 동작해서 전기를 발전하고 이것을 배터리에 저장하는 것입니다.

또 다른 개발자들은 날개에 설치된 태양광 전지에서 에너지를 획득하는 항공기를 연구하고 있습니다. 이렇게 획득된 에너지를 배터리에 저장합니다. 2015년에 스위스 조종사인 베르트랑 피카르와 앙드레 보르슈베르는 세계 최초로 태양광 비행으로 세계 일주를 했습니다. 이를 위해서 “Solar Impulse 2”라고 하는 항공기 날개에 17,000개의 태양광 전지를 설치했습니다.

하지만 현재 많은 항공기 회사들은 하이브리드 모델을 연구하고 있습니다. 이러한 항공기는 가스 터빈으로 제트 연료를 사용해서 비행하는 동안 전기를 발전하고, 이 전기를 온보드 배터리에 저장합니다. 제너레이터가 전기 모터에 전기를 공급하면 전기 모터가 터빈이나 덕트 팬을 구동합니다. 이러한 하이브리드 모델은 연료 소비를 1/4가량 줄일 수 있습니다. 미래에는 비행을 위한 전기 공급원으로서 연료 전지가 제트 연료를 대체할 수 있을 것입니다.

인피니언은 전기 항공기에 어떻게 기여할까요?

전기 항공기 개발을 위한 가장 어려운 과제 중의 하나는 더 효율적이고 가벼운 배터리를 개발하는 것입니다. 1990년대 초반 이후로 배터리의 에너지 밀도와 전기 모터 효율이 두 배 이상 향상되었습니다. 하지만 장거리 항공기를 위해서는 충분하지 않습니다. 다시 말해서 전기 항공기 상용화를 위해서는 배터리 용량을 대폭적으로 늘려야만 먼 거리를 비행할 수 있습니다. 배터리 유닛 크기를 소형화해야 할 뿐만 아니라 전력 밀도를 높여야 합니다. 인피니언은 바로 이러한 과제를 해결하도록 돕습니다. 능동 배터리 밸런싱은 배터리 용량과 수명을 10퍼센트 이상 늘릴 수 있습니다. 지능형 배터리 관리 시스템이 모든 배터리 셀의 기능과 전하를 지속적으로 제어하고 모든 에너지를 최대한 활용하도록 합니다. 개별 셀들이 노후화되어 용량이 저하되는 것을 방지합니다.

항공기 무게 또한 항공기 제조 업체에게 중요한 문제입니다. 이 점에 있어서 실리콘 카바이드(SiC)에 기반한 반도체가 큰 역할을 할 수 있습니다. 인피니언의 새로운 반도체를 사용하여 인버터나 모터 같은 전기 장치의 무게를 줄일 수 있습니다. 따라서 더욱 가볍고, 컴팩트하고, 효율적인 구동 장치를 설계할 수 있습니다. 이는 전기 항공기 개발을 위해 중요하게 요구되는 특성입니다.

혁신적인 웨이크스케이트 드론 라이딩

인피니언 AURIX™ 마이크로컨트롤러와 CoolGaN™ e-mode HEMT는 탁월한 성능과 최고 수준의 에너지 효율을 제공합니다. 완전한 리던던시를 위해 8개의 모터가 장착되었으며, AURIX™는 모든 ESC(변속기)를 동시에 구동하여 완벽한 비행 제어를 보장합니다. TriCore™ 아키텍처는 다양한 드론 애플리케이션의 안전과 보안, 신뢰성을 향상시키고, 인피니언의 CoolGaN™ HEMT는 고효율 모터 제어를 구현합니다. 드라이버 IC 포트폴리오와 함께 이 최첨단 기술은 속도, 파워, 정밀도, 비행 시간에 새로운 차원을 열었습니다.

전망

모빌리티는 하늘에서도 점점 전기화 될 것입니다. 앞으로 10년 안에 최초의 전기 에어 택시가 등장하게 될 것입니다. 두바이 같은 도시에서는 이미 에어 택시를 도입할 계획을 세우고 있습니다. 전자상거래 회사들은 드론으로 물건을 배송하려고 하고 있습니다. 이렇게 되면 미래의 도시를 더 청정하게 만들 것입니다. 운송 중에 CO2나 여타 온실가스를 배출하지 않기 때문입니다. 또 다른 이점은, 전기 항공기는 조용하다는 것입니다. 하지만 공중에서 다수의 개인, 대중교통, 택시 드론이 날게 되었을 때 어떤 항공 규정들을 도입하게 될지는 아직 확실하지 않습니다.

2025년 즈음에는 전기 및 하이브리드 항공기가 이륙하는 것을 보게 될 것입니다. 하지만 보편적으로 사용되기까지는 좀더 시간이 걸릴 것입니다. 평균적으로 항공기는 30년 동안 사용되며, 항공사들은 자사 항공기를 점진적으로 교체합니다. 따라서 가까운 미래에 전기 항공기로 장거리 노선을 비행하지는 않을 것입니다. 장거리 비행을 위해서는 배터리를 더 가볍게 하고 용량을 높여야 합니다.

앞으로 몇 년 사이에 많은 일들이 이루어질 것입니다. 기술 발전으로 배터리 효율이 높아지고 크기는 작아질 것입니다. 2025년부터는 대형 항공기가 가능해질 것이라고 컨설팅 회사 Roland Berger는 전망하고 있습니다. 그리고 이 세기의 중반에 이르러서는 전기 비행기를 타고 지구 반대편으로 날아가는 것이 자연스러운 일이 될 것입니다. 온실가스도 배출하지 않고 소음도 없이 말입니다.

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