究極の航空機電動化は全超電導推進システム、液体窒素で冷やす：日本ものづくりワールド 2020

NEDOは、「日本ものづくりワールド 2020」内の「第2回 航空・宇宙機器開発展」において、航空機の電動化に向けて九州大学や産業技術総合研究所などが開発を進めている超電導システムを展示した。液体窒素による冷却で超電導を起こすイットリウム系超電導線材を用いて、出力1MWクラスの全超電導推進システムの開発を目指している。

[朴尚洙，MONOist]

「次世代電動推進システム研究開発」における全超電導推進システム開発の概要（クリックで拡大）

　NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）は、「日本ものづくりワールド 2020」（会期：2020年2月26〜28日／場所：幕張メッセ）内の「第2回 航空・宇宙機器開発展」において、航空機の電動化に向けて九州大学や産業技術総合研究所（AIST）などが開発を進めている超電導システムを展示した。液体窒素による冷却（65〜70K）で超電導を起こすイットリウム系超電導線材を用いて、出力1MWクラスの全超電導推進システムの開発を目指している。

　欧州を中心に、航空機のCO₂排出量の削減に向けた規制が策定されており、これに対応するための電動システムの開発が進められている。しかし、従来の発電機やモーター、ケーブルは重すぎて航空機を飛ばすことが難しい。一般的なモーターを使う電動システムの出力密度が2kW/kgで、現行のジェットエンジンが5kW/kgだが、航空機のCO₂排出量を削減するには、この5kW/kgを大幅に上回る出力密度が必要になる。そこで提案されているのが超電導推進システムで、20kW/kgを達成することも可能だ。

　NEDOが2019〜2023年度の5カ年で進めているプロジェクト「次世代電動推進システム研究開発」では、発電源となる高効率のガスタービンエンジンと超電導の発電機、インバーター、ケーブル、モーターから成る全超電導システムを航空機の電動推進システムとすべく研究開発を進めている。九州大学、AISTの他、神戸製鋼所、大陽日酸、SuperOx Japanなどが参画して各種要素基盤技術を開発し、2021年度には出力500kWのモーターの作製・評価、2023年度には出力1MWのシステムの作製・評価を目標としている。開発成果の実用化時期は2030年代だ。

　ジェットエンジンは片翼に1〜2基を搭載しているが、全超電導推進システムの超電導モーターはより多くの数を分散配置することを想定しており、航空機の上部に配置すれば現行の航空機の半分以下の出力で離陸できるようになる。ボーイングの「B787」が出力2MW程度といわれており、開発目標とする1MWのシステムは、新たに開発する超電導航空機に十分な出力を持つことになる。

　展示では、液体窒素で冷却して動かす超電導モーターの試作品も展示した。回転数400rpmでの回転試験にも成功しており、今後は離陸に必要な6000〜7000rpmまで向上することを目指す。

超電導モーターの試作品（左）。400rpmでの回転試験に成功している（クリックで拡大）

超電導モーターの巻線などに用いるイットリウム系超電導線材と銅ケーブルの比較（左）。このイットリウム系超電導線材を巻線に使用したモーターコア（右）（クリックで拡大）

　なお、この超電導モーターの巻線には、AISTが独自に開発したイットリウム系超電導線材をレーザースクライビングで細線化する技術を用いており、この細線化により交流損失を防いでいる。