電気飛行機を飛ばすには何が必要か

数年前、ピッツバーグとサンフランシスコ間の州間高速道路を運転していたとき、ベンカット・ヴィスワナタンはちょっとした実存的な感覚に襲われ始めた。旅は順調に進んでいた。ほとんど順調すぎるくらいだった、と彼は思った。数百マイルをハミングで走り続け、食事や初夏の景色を眺めるために少し立ち止まる。まさに典型的なアメリカのロードトリップだった。しかも、それを電気自動車で走っていることは、何ら驚くべきことではなかった。

カーネギーメロン大学の科学者、ヴィスワナサン氏は、高エネルギー密度バッテリーの専門家です。これは、限られたスペースに大量の電力を詰め込むことを目的とした設計です。これは時に、ほとんど空想的な化学反応、つまりバッテリー技術の入手困難な分野に関わることもあります。しかし、あの夏、完全に入手可能なバッテリーに駆り立てられてアメリカを横断した後、彼は自分の研究の別の用途を考え始めました。「『ちょっと待てよ、自分が発明しているこんなにたくさんの新しいバッテリーで一体何をするんだ？』と思いました」とヴィスワナサン氏は回想します。「一体誰がそれを必要とするんだ？」。彼は、アメリカ大陸を横断する別の方法があることに気付きました。バッテリーが脱炭素化に程遠い方法、つまり飛行機です。

ここ数年、バッテリー業界は主に自動車に焦点を当て、特定の科学的アプローチを着実かつ漸進的に改良してきました。このアプローチでは、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄などの金属酸化物からなる正極とグラファイト製の負極の間をリチウムイオンが移動します。この古典的な手法は、かなり改良されています。最近では、リチウムイオンバッテリーによって乗用車の航続距離が400マイル（約640km）を超えました。これは多くの内燃機関とほぼ同等であり、一部のドライバーが電気自動車への移行をためらう原因となる「航続距離不安」を克服するのに十分なものです。しかし、リチウムイオンバッテリーは貯蔵できるエネルギー量の理論上の限界に近づいており、ほとんどの航空機に必要な量には依然として遠く及びません。

航空業界は長らくこの問題に取り組んできた。世界の二酸化炭素排出量の約2%を航空業界が占めている。これは比較的小さな数字だが、世界中でより多くの人々が空を飛ぶようになるにつれ、この割合は急増する見込みだ（毎年飛行機に乗るのは10人に1人程度で、2018年の調査では世界人口の1%が航空排出量の半分を占めていると推定されている）。ヴィスワナサン氏は、これらの航空機が電動化されるなら、バッテリーは根本的に考え直す必要があると考えている。比較的短距離を飛ぶリージョナルジェットでさえ、軽量でありながら十分な出力を持つバッテリーが必要だ。離陸に十分なパワーが必要であり、その後、長距離を安全に巡航するのに十分なエネルギーが必要だ。この方法が実用化されることは決してなく、より環境に優しい航空には、水素や合成ジェット燃料といった別のアプローチが必要になるかもしれない。

あるいは、バッテリーの基礎構造を見直すことでも可能になるだろう。先週、ヴィスワナサン氏は他のバッテリーおよび航空専門家とともに、ネイチャー誌に、リチウムイオンの移動にとどまらず基礎科学にも投資するよう業界に促す「警鐘」となる論文を発表した。著者らは特に、より特殊な材料を用いた新たな正極材料を提唱している。これらの材料の中には、いわゆるコンバージョン反応と呼ばれる反応を起こすものがあり、より多くの電子を移動させ、より多くのエネルギーを蓄えられる可能性がある。これは、コバルトが主流になり始めた1970年代以降、人々が真剣に検討してこなかった分野だ。米国エネルギー省のプロジェクトは、1キログラムあたり500ワット時のエネルギーを蓄えられるバッテリーの開発を目標に掲げている。ヴィスワナサン氏と共著者らは、ボーイング737のような空の主力機には、この2倍のエネルギーが必要であり、そのためには新たな化学物質が必要になると考えている。「目標設定を変えようとしているのです」と彼は言う。

リチウムイオン電池は化学的なラブストーリーです。電荷によって一度離れたリチウムイオンと電子は、常に再結合しようとします。これらの電子が電池セル内を動き回ることで電流が発生します。しかし、その意味では、リチウムは放出できる電子が1つしかないため、限界があります。理論上、電子の動きが多ければエネルギーも増えますが、これは他の元素が提供できる可能性があります。ヨウ素、硫黄、フッ素などを試してみると、より多くの電子を放出できるかもしれません。

しかし、この計画には落とし穴がある。現在の電池の素晴らしい点は、リチウムイオンが騒がしくなく行き来できることだ。リチウムイオンは陰極に捕捉されて放出される（挿入と呼ばれる過程）が、陰極内に入るとイオンは他の材料と反応せず、原子配列を変化させない。他のいくつかの元素ではそうではない。「私たちは、最初から存在しなかった新しい材料を手に入れたのです」とニューヨーク州立大学ストーニーブルック校の電池科学者、エスター・タケウチ氏は言う。「変換反応」と呼ばれるのはこのためだ。これらの化学反応は複雑で、電気化学的変化と体積変化をもたらす。しかし、おそらく最大の問題は、この種の電池を再充電できるようにすることだ。電池内部の材料を一度変更すると、以前そこにあった材料に戻すのは難しい場合がある。

竹内氏が研究している種類の電池は、通常、充電を必要としません。彼女の専門は、医療機器のように、1回の充電で長時間（場合によっては一生）持続する必要がある小さなスペースに大量のエネルギーを詰め込むことです。なぜなら、充電や電池交換には手術が必要になる場合があるからです。彼女が以前に設計したバナジウムを用いた電池は、現在ではペースメーカーに広く使われています。しかしそれ以来、彼女のチームは、フッ化炭素（CFx）やヨウ素といった変換化学反応が、より優れた性能を発揮する可能性を研究してきました。

飛行機の場合、長距離を飛行し続けるには、同じスペースと重量を節約するという原則が当てはまります。しかし、寿命が一度しかないバッテリーは、飛行ごとに充電する必要がある飛行機には適していません。研究室では、研究者たちがこれらの変換反応を逆転させることにある程度成功しましたが、別の問題に直面することになります。最も進んでいる候補の1つがリチウム硫黄バッテリーです。これは、硫黄が安価で豊富にあるため、非常に望ましい化学物質です。問題は、アノードの硫黄と電解質の間で望ましくない反応が発生する可能性があることです。これにより化学物質が蓄積され、時間の経過とともにバッテリーの再充電能力が失われます。場合によっては、これらの反応によってデンドライトと呼ばれる厄介なものが形成されます。デンドライトは電解質内の物質の脈で、徐々に伸びて最終的にアノードとカソードを接続し、ショートを引き起こし、火災を引き起こす可能性があります。

変換反応には多くの新しい化学反応が関わってくるものの、竹内氏は、これまでの電池の歩みを完全に捨て去るものではないと指摘する。新たな正極化学反応は、グラファイト以外の材料で作られた新しい負極など、電池容量の短期的な向上の成功にも左右されるだろう。

その一つがリチウム金属です。グラファイトは安定性という点で優れた選択肢でしたが、リチウム金属は電気化学特性が優れており、従来の設計よりもスペースをとらないという利点があります。スウェーデンのバッテリーメーカー、ノースボルトに最近買収されたリチウム金属バッテリーのスタートアップ企業、キュバーグのCEO、リチャード・ワン氏は、同社の設計ではエネルギー密度が70%向上したと述べています。ワン氏は、エネルギー密度の向上を重視するため、自社のスタートアップを航空業界に特化することに決めました。同社の構想は、比較的小型の航空機への電力供給であり、短距離を飛行可能な垂直離着陸機の開発を目指すスタートアップ企業と提携しています。

こうしたリチウム金属アノードを、より実験的なカソード化学物質と組み合わせて大型航空機に動力を供給することは可能だが、その道のりは不透明だとワン氏は言う。これは典型的なジレンマだ。航空機メーカーは飛躍的な技術がうまくいくという確実性を求める一方で、バッテリーの新興企業（とその潜在的な資金提供者）は、実験が最終的に役に立つという保証を必要としている。実際のところ、航空機メーカーは大型航空機の電動化にそれほど有益ではないと考えるかもしれない、とワン氏は言う。短距離の地域路線を扱うバッテリーで止めることを決めるかもしれない。既存のバッテリーがあまり実用的ではない長距離路線では、代わりに、離着陸の間ガソリンエンジンが担当するハイブリッド方式や、より環境に優しいジェット燃料、あるいはインフラが整備され、環境に優しい製造方法が確立されれば水素が使われるかもしれない。まだ誰もどこに賭けるべきか確信を持っていない。

バイ・エアロスペースの創業者ジョージ・バイ氏は、これを電気飛行機のイノベーションにおける「空白地帯」と呼んでいます。バイ氏は、自社が製造する2人乗りおよび4人乗りの練習機のような小型電​​気飛行機に動力を供給するリチウムイオン電池の進歩を実線で示し、その次にはリチウム金属電池や、電気飛行機の容量と飛行距離を拡大する固体電池などのほぼ完成形に近いイノベーションの破線を描きます。そして、その先はどうなるかは誰にもわかりません。空白地帯です。バイ氏自身の会社も大型飛行機向けにリチウム硫黄を研究してきましたが、まだ本格的な実用化には至っていないことがわかりました。「少し遅れている」と彼は言います。この技術に取り組んでいたパートナー企業の1社が最近倒産したのです。

バイ氏によると、唯一の明るい兆しは、複雑なジェットエンジンを電気バッテリーに置き換えることで重量とバランスが改善され、航空機をより効率的に空中移動するように設計できることだ。これは航続距離と乗客定員の拡大につながる。「一部の人が言うように、同じ条件で比較することはできない」と彼は言う。同社はまた、飛行学校や航空会社から受注した数百件の注文の納入開始に向け、練習機のFAA認証取得にも取り組んでいる。課題の一つは、航空機が火災リスク（化学的な問題だけでなく、バ​​ッテリーパックの構造設計にも関わる）に対処でき、バッテリーが爆発した場合でも緊急着陸できることを証明することだ。

画期的なバッテリーを搭載した大型電気飛行機の実現には、まだ数十年かかるかもしれない。しかし、竹内氏はバッテリー駆動のジェット機には「楽観的な見通し」があると主張する。「時に、こんなことが本当に夢にまで見ただけで可能なのかと問われることがあります」と彼女は言う。「そして、材料や数値を検証すれば、『ええ、可能です』と答えます」。竹内氏と共著者たちは、航空の未来は当初電気にあったと指摘する。1884年、世界初の往復飛行を成し遂げた航空機、飛行船「ラ・フランス」は、巨大な塩化亜鉛電池の力で飛行した。それから約150年が経ち、竹内氏は電気が復活する準備が整ったと考えている。

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