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完全クリーンエネルギー!太陽光を動力とした飛行機開発

環境に対する意識が高まるなかで、完全クリーンエネルギーである太陽光を動力源とする乗り物が注目を集めています。なかでも太陽光を動力とする飛行機の開発は、代表的なエミッションフリー事業のひとつです。世界各国で競うように開発が進められており、今後の飛躍的な発展が期待されています。この記事では、太陽光を動力とした飛行機開発について詳しく解説していきます。太陽光エネルギーに興味のある人はぜひ参考にしてください。

世界的に求められる航空機のクリーンエネルギー化

“アジア諸国などの急激な経済発展に伴い、地球温暖化などの環境問題が深刻になっています。そこで注目を集めているのが、化石燃料などに代わるエミッションフリーの代替エネルギーです。特に飛行機は非常に多くの燃料を消費することもあり、クリーンエネルギー化が喫緊の課題となっています。そのため、世界各国でクリーンエネルギーを動力とする飛行機の開発が急ピッチで進められています。もちろん日本も同様で、「航空機電動化コンソーシアム」を設立して電動航空機の実用化に向けた本格的な取り組みを始めています。

航空機電動化コンソーシアムは、国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構(JAXA)が発足した産学官連携の組織です。株式会社IHIや川崎重工業株式会社、株式会社日立製作所などの日本を代表する企業や、経済産業省がパートナーとなって「地球にやさしい航空機」の実現を目指しています。世界の航空機需要が増加を続ける一方で、航空分野における温暖化対策の機運も国際的に高まっています。そういった難しい状況のなかで、地球温暖化をもたらす二酸化炭素(CO2)を排出しないエミッションフリー航空機の実現が、航空機電動化コンソーシアムには期待されています。”

次々進む飛行機開発!ドイツの企業は電動飛行機を開発

“クリーンエネルギーを活用した飛行機開発は世界中で進められています。ドイツでは、スタートアップ企業「Lilium」が、2017年4月に電動飛行機「Lilium Jet」のプロトタイプ機の試験飛行に成功したことを発表しました。Lilium Jetは、電動モーターで駆動するジェットエンジンを動力源にした完全電動飛行機です。ヘリコプターのような垂直離着陸を行うことも可能であるという特徴があります。今回の試験飛行は2人乗りモデルによるものですが、2019年までに5人乗りモデルを完成させ、有人飛行をするという予定になっています。

一方、大手企業の「シーメンス」も電動飛行機の開発を進めています。2017年4月に「Extra 330LE」のプロトタイプで、世界最高記録である時速337.5kmを達成しました。Extra 330LEは、機体の前方の電動モーターでプロペラを回転させるというオーソドックスな構造ですが、自社開発したモーターの性能が注目されています。最高出力260kWを達成しているにもかかわらず、重量は約50kgと軽量であることが大きな特徴です。今後は大手航空機メーカー「Airbus」と共同で開発を進める予定になっており、100人乗り・飛行距離1000kmというハイブリッド飛行機を2030年までに実用化するという計画を発表しています。”

イギリスが行っている太陽光飛行機開発の今

“イギリスでは、国防・情報セキュリティ・航空宇宙関連企業「BAE Systems」が、ベンチャー企業の「Prismatic」と共同で電動飛行機の開発を進めています。2019年に試験飛行を行う予定の電動式無人航空機(UAV)「PHASA-35」は、ソーラー発電で1年間の連続飛行が可能であると発表されています。高高度長時間滞空(HALE)タイプであるため、長時間にわたって高い高度を飛び続けることが可能です。昼間は太陽光エネルギーのみで飛行し、夜間はバッテリーに貯めた電力で飛行を続けるかたちになります。

いったん離陸すると、最大で12ヶ月の間太陽光エネルギーだけで飛行を続けることができます。また、その間は補給やメンテナンスも不要です。そのため、監視や通信中継などの用途が想定され、人工衛星の安価な代替手段としても期待されています。なお、2017年に初飛行したものは4分の1サイズの試験機で、実際のPHASA-35は翼幅35m、重さ150kgというスペックになります。しかし、高高度長時間滞空型UAVの分野で成功するのは決して簡単ではありません。エアバス・ディフェンス・スペースやロッキード・マーティン、ボーイングなど各国の競合も開発を進めており、非常に競争が激しくなっています。”

スイスで研究開発!太陽光だけで運行する有人飛行機「ソーラー・インパルス」

“スイスでは、太陽エネルギーを動力源とする有人飛行機「ソーラー・インパルス」の研究開発が進められてきました。ソーラー・インパルスの実現可能性の研究は、2003年にスイス連邦工科大学ローザンヌ校で始まりました。主催のベルトラン・ピカールは、気球による無着陸地球一周を世界で初めて成功させた人物として知られています。プロジェクトの目標は、太陽エネルギーを動力源とする有人飛行機で世界一周を達成するということでした。

2015年7月に名古屋ーホノルル間を飛び、太陽エネルギーを動力源とする飛行による最長時間・最長飛行の世界新記録を更新しています。なお、名古屋飛行場は当初の予定航路には含まれていませんでした。南京からハワイに向かった際、気象条件が悪く緊急で立ち寄ることになったという経緯があります。その後2016年7月26日にアブダビに到着し、無燃料による世界一周を達成しました。”

ソーラー・インパルス開発の経緯

“ソーラー・インパルスのプロトタイプ機は、HB-SIAというスイスの機体番号コードが与えられた単座航空機です。プロトタイプ機の目標は、自力での離陸や、最長36時間連続航行というものでした。翼幅は63.4mで、エアバスA340に匹敵する大きさです。また、全長は21.85m、全高は6.40mというサイズになっています。翼の下にはナセルが4つ設けられ、2枚羽根のプロペラとリチウムイオンポリマー二次電池、10 hp (7.5 kW)の電動機が搭載されています。翼を軽量化するため、炭素繊維(カーボンファイバー)のハニカム・サンドイッチ構造が採用されました。

発電用の太陽電池は厚さ150μmの単結晶シリコンで、主翼と水平安定版の上面に12,000個が設置されています。出力は45kWを発揮し、日中の推進力だけでなく、夜間飛行のための電池充電もこなします。これによって理論上は無制限の飛行が可能となりました。巡航速度は70キロメートル毎時 (43mph)、巡航高度は8,500m (27,900ft)、そして最大高度は12,000メートル (39,000ft)という性能を達成しています。”

ソーラー・インパルスのプロトタイプの初飛行と世界一周までの挑戦

“ソーラー・インパルスのプロトタイプの初飛行は、2009年12月3日です。飛行中の操作性や飛行特性の確認を目的としたもので、 Markus Scherdelの操縦により短距離飛行に成功しました。高く飛ぶことが目的ではなかったので、高度は地上1mほどでした。2010年4月7日には、87分以上の本格的な試験飛行が行われました。このときは、高度1,200mまでの飛行に成功しています。翌月の28日には、初めて太陽エネルギーだけの飛行に成功しました。同時に、飛行中の電池充電も行っています。

プロトタイプ機が初めて夜間飛行を行ったのは、2010年7月7日・8日です。離陸と着陸を行ったのはスイスのパイエルヌの飛行場で、連続26時間の有人飛行に成功しました。この飛行によって、有人ソーラープレーンの航行距離で世界記録を塗り替えています。また、高度も8,700に達し、世界最高を記録しました。そして2012年6月5日には、初の大陸間飛行を敢行しています。スペインのマドリードを離陸し、ジブラルタル海峡を越えて、モロッコのラバト・サレ国際空港に着陸して、無事に大陸間飛行を成功しました。飛行距離はおよそ830kmです。”

ソーラー・インパルスの構造

“ソーラー・インパルスの本番機(2号機)は、HB-SIBというスイスの機体番号コードが与えられています。製造が始まったのは2011年で、当初は2013年に完成させ、2014年に世界一周を成功させるという予定でした。しかし、2012年にテストを行っていたところ、構造上の欠陥が見つかってしまいます。製造計画は延長されることになり、初飛行に成功したのは2014年6月2日です。与圧されたコクピットと、最新鋭のアビオニクス(電子機器)がHB-SIBの特徴です。これらの装備によって、大陸横断飛行や大洋横断飛行が可能になりました。

HB-SIBの機体総重量は2,300 kgとプロトタイプより重くなっていますが、その分電気系統は大幅に強化されました。 66kWの出力を発生する17,248個の太陽電池と、4個の41kWのモーター、13 kW×4の出力を持つリチウムイオンバッテリーが備えられています。翼幅は72mとなり、ボーイング747-8よりも大きなサイズとなりました。素材には軽量・高剛性なカーボンファイバーが採用されています。こういったスペックの向上により、離陸速度は35km/h、巡航速度は90km/h(夜間60km/h)、そして最高速度は140km/hという高い性能が実現されました。また、コクピットは与圧のほかに酸素マスクの設置などの改良が加えられたこともあり、高度12,000mでの巡航も可能となっています。”

ソーラー・インパルス初の世界一周

“ソーラー・インパルスの世界一周は、北半球の赤道付近を一周するというルートで計画が組まれました。操縦士の1回の飛行は3日から4日までとし、交代のため12区間に分けられています。HB-SIBの翼幅は大型旅客機よりも広く、一部の空港ではハンガーが使用できないという制約があったため、空気で膨らませるタイプのドーム型専用ハンガーを用意するなどの準備が必要になりました。そのため、設営スタッフは着陸予定地に先に向かい、着陸を受け入れる準備を行っています。

2015年3月9日にアラブ首長国連邦アブダビのアル・バティーン・エグゼクティブ空港を離陸し、ソーラー・インパルスは世界一周に出発しました。しかし、途中でさまざまなアクシデントに遭遇し、決して順調な旅ではありませんでした。南京からハワイへの航路では天候不順に見舞われ、日本の名古屋小牧空港に退避しています。また、ハワイに到着した際には、バッテリーが過熱によって破損するという深刻なトラブルが発生しました。結局修理が完了するまでには10ヶ月もの期間を費やしています。それでも2016年7月26日にアル・バティーン・エグゼクティブ空港へと戻り、世界一周を達成しました。全行程を終了するのにおよそ16ヶ月かかっていますが、実際の飛行は17回・23日間です。

スイス連邦工科大学ローザンヌ校を中心としたプロジェクトの努力によって、ソーラー・インパルスは世界一周を達成することができました。しかし、成功の理由はそれだけではありません。私企業による出資もプロジェクトの大きな助けとなってきたのです。プロジェクトの主要スポンサーはドイツ銀行・オメガ・ソルベー・シンドラーグループの4社で、ほかにも多くの企業がスポンサー・サポーターとして名を連ねています。日本からも、トヨタ自動車がサポーターとして協力しました。”

日本の太陽光飛行機の研究開発

“欧州だけでなく、日本でも太陽エネルギーを動力源とする飛行機の研究・開発が盛んに行われています。なかでも注目を集めたのが、有人ソーラープレーン「SP-1」です。当初の目的は、「鳥人間コンテスト」の滑空機部門に出場するということでした。サレジオ高専杉並校舎(当時の育英高専)の特別講義から始まった、10代の学生に設計や製作を教えるためのプロジェクトだったのです。プロジェクトが誕生したのは2002年12月で、2004年夏に鳥人間コンテストへの出場を果たしました。そして2005年・2006年と改良を重ねて出場したものの、それ以降は役目を終えてサレジオ高専のバックヤードで眠っていました。

しかし、2013年にSP-1は日本初の電動飛行機として再生しました。さらに2014年にはソーラーパネルが搭載され、ソーラープレーンへと進化しています。これは、日本初の有人ソーラー飛行となりました。SP-1は、太陽光パネルや2.2KWの電動モーターを搭載しているのもかかわらず、機体の空虚重量が95kgと、非常に軽量に設計されていることが最大の特徴です。全幅16.8m、主翼面積は16.9m2と、極端に小さいサイズというわけではありません。それにもかかわらず軽量化に成功しているのは、機体の構造に秘密があります。主構造材料に木材とカーボンファイバー、副構造材料にポリエステルフィルムやスチレンペーパーなどを使い分け、高い剛性と軽量化の両立に成功しています。

さまざまなテストや改良を重ねたのち、2017年の北海道での旋回飛行をもって、SP-1のプロジェクトは完結しました。”

まとめ

このように、完全クリーンエネルギーである太陽光飛行機は大変な注目を集めており、世界中で開発が進んでいます。地球温暖化をはじめとする環境問題への有効な対策であり、人類の将来に大きく貢献する技術といえます。また、エネルギー問題の解決に伴って、既存の技術をローコストに発展させる可能性も秘めています。特にPHASA-35のような高高度長時間滞空型のUAVは、これまでの通信衛星に代わる技術として注目されています。通信技術をさらに大きく発展させ、我々の日常生活を一変させる可能性すら持った存在です。エミッションフリーを実現できる太陽光発電は、今後さらに注目すべきテクノロジーといえます。

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