미래 도시 모습에는 일반 시민들이 이용할 수 있는 첨단 도심 항공 교통이 항상 등장해왔다.

소형 드론이 이미 일상적으로 활용되고 있는 현재, 이러한 미래는 가까워지고 있다.

전동 수직이착륙(eVTOL) 항공기의 확산은 혼잡 완화, 통근 시간 단축, 접근성 향상, 지속 가능성 증대에 대한 기대를 키우고 있다.

하지만 많은 사람들은 왜 이 같은 미래가 아직 실현되지 않았는지 의문을 품고 있다.

택배 드론 단계를 넘어, 장시간 사람을 태우고 도시와 지역을 오가는 에어택시 시대는 언제 도래할 것인가?

수소 연료전지 기반 항공기용 동력 시스템을 개발하고 있는 하이드로플레인(Hydroplane)의 CEO 아니타 센굽타 박사는 그 질문에 대한 답이 다음 네 가지 핵심 과제에 있다고 말한다.

전력 밀도 한계, 기존 항공 기술과의 경쟁, 자율 비행에 요구되는 높은 신뢰성, 내연기관 사용에 따른 지속 가능성 문제 해결이다.

■ 과제 1: 전력 밀도

버티컬 이착륙(VTOL) 기술은 헬리콥터나 벨-보잉 V-22 오스프리와 같은 항공기를 통해 수십 년 전부터 사용되어 왔다.

그러나 이러한 대부분의 항공기는 내연기관에 의존해왔다.

VTOL 제조사들이 대기 및 소음 오염을 줄이기 위해 전기 구동 엔진과 배터리 기반 설계를 지향하면서 가장 먼저 맞닥뜨리는 문제가 전력 밀도다.

즉 eVTOL은 도시 및 지역을 오가는 거의 지속적인 비행을 수행하기 위해 가벼운 배터리로 충분한 전력을 확보해야 한다는 도전을 안고 있다.

센굽타 박사는 “항공에서는 무게가 모든 것”이라고 강조한다.

배터리는 무겁고 단거리 비행에는 사용할 수 있지만, 일정 수준 이상의 항속 거리와 빠른 회전율을 요구하면 계산이 맞지 않는다는 것이다.

현재 대부분의 eVTOL은 한 번 충전으로 약 20∼30분 비행이 가능하며, 이후에는 충전에 상당한 시간이 필요하다.

센굽타 박사는 “특정 도시권 내에서 제한된 거리를 이동시키기에는 충분할지 몰라도, 그 이상은 어렵다”고 말하고, “도심 항공 모빌리티, 화물 운송, 지역 간 비행에서는 모든 분과 모든 무게가 중요하다. 잦은 충전으로 인한 지상 대기 시간은 일정 시간 동안 에어택시가 운송할 수 있는 승객 수를 크게 감소시킨다”고 덧붙였다.

■ 해결 방안

전기 배터리의 전력 밀도 한계를 극복하기 위해 하이드로플레인 팀은 수소 연료전지에 주목했다.

수소 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생성하며, 이 과정에서 물과 열, 전기가 발생한다.

센굽타(Anita Sengupta) 박사는 “수소 연료전지를 기반으로 한 전기 추진 방식은 훨씬 높은 에너지 밀도를 제공한다”며 “이를 통해 더 멀리 비행하고 더 많은 화물을 실을 수 있어, 지역 항공 모빌리티와 도심 항공 운항이 실제 현실로 다가오게 된다”고 말했다.

또한 하이드로플레인의 수소 연료전지는 현재 eVTOL에서 사용되고 있는 리튬이온, 전고체, 나트륨이온 배터리와 달리 매우 빠른 재충전이 가능하다.

센굽타 박사는 “예를 들어 공항과 도심을 연결하는 셔틀 서비스의 경우, 수소 전기 추진을 적용하면 eVTOL이 노선을 운항한 뒤 빠른 연료 보급을 통해 곧바로 다음 운항을 이어갈 수 있다”고 설명했다.

■ 과제 2: 치열한 경쟁 구도

차세대 에어택시는 고정익 항공기, 회전익 항공기, 전통적인 VTOL을 생산하는 다양한 항공기 제조사(OEM)들과의 치열한 경쟁에 직면해 있다.

전기 기반 도심 항공 모빌리티(eUAM) 기체는오랜 기간 항공 분야에서 신뢰성과 성능을 입증해 온 내연기관 항공기와 경쟁해야 하는 부담도 안고 있다.

이러한 항공기들은 특히 항공 환경에서 요구되는 특수한 기능 면에서 폭넓은 운용 능력을 이미 확보하고 있다는 점에서 강력한 경쟁자로 자리하고 있다.

■ 해결 방안

센굽타 박사는 이 경쟁 구도에 정면 승부하기보다 모듈러 전략을 통해 차별화를 꾀하고 있다.

그녀는 “우리는 수소 전기 산업의 ‘엔진 회사’가 되는 데 집중하고 있다”며 “OEM과 경쟁하기보다 그들을 지원하는 역할을 하며, 기존 및 신규 항공기 모두에 바로 적용할 수 있는 드롭인(drop-in) 대체 솔루션을 목표로 하고 있다”고 설명했다.

특히 하이드로플레인의 수소 연료전지 파워트레인은 항공 분야에 최적화된 설계를 강점으로 한다.

센굽타 박사는 “모듈형 구조, 액체 냉각 방식, 고효율 전력 전자 장치 및 축류(AXIAL) 플럭스 모터를 하나의 시스템으로 통합했고, 비행 조건에 최적화된 연료전지 스택 구성을 갖추고 있다”며 “전체 시스템은 높은 비출력 및 소형화 설계가 이루어졌으며, 항공 표준을 충족한다. 또한 유·무인 항공기에 맞춰 커스터마이즈 가능한 CAN(Controller Area Network) 기반 소프트웨어 아키텍처도 적용했다”고 강조했다.

하이드로플레인 팀은 현재 파이퍼 체로키(Piper Cherokee) 고정익 항공기와 미 육군 헬리콥터에 해당 파워트레인을 적용해 테스트를 진행했다.

이 실증 테스트를 통해 확보한 실제 운항 데이터를 기반으로 eVTOL 및 에어택시에서의 통합성, 운용성, 신뢰성을 지속적으로 개선해 나갈 계획이다.

■ 과제 3: 신뢰성

센굽타(Anita Sengupta) 박사는 “VTOL이 점차 자율비행으로 전환되면서 추진 시스템에는 극도의 신뢰성이 요구된다”며 “예를 들어 하루 종일 동일한 노선을 운항하는 자율 에어버스 서비스를 생각해 보면, 최소한의 다운타임과 예측 가능한 유지보수가 가능한 추진 시스템이 필요하다. 또한 조종사가 탑승하지 않는 상황에서는 비행 중 연료전지에 문제가 발생하더라도 비행을 유지할 수 있도록 이중·삼중의 안전 장치가 필수적이다”고 설명했다.

■ 해결 방안

이 과제를 해결하기 위해 하이드로플레인 팀은 기존 전기 추진 시스템보다 높은 신뢰성을 확보한 수소 연료전지를 설계했다.

센굽타 박사는 “우리는 움직이는 부품 수를 최소화하고, 고장 발생 가능 요소를 줄인 연료전지를 개발했다”며 “이를 통해 다운타임과 유지보수 횟수를 크게 줄일 수 있어 eVTOL을 더욱 현실적이고 신뢰할 수 있는 선택지로 만든다”고 설명했다.

센굽타 박사는 이어 “물론 우리의 수소 연료전지는 모듈 간 이중화 구조를 통해 안전성을 강화했다”며 “하나의 모듈에 문제가 생겨도 다른 모듈이 작동을 유지해 비행 안정성을 확보할 수 있다”고 덧붙였다.

■ 과제 4: 지속 가능성

많은 이들이 대기오염의 주범으로 자동차를 떠올리지만, 항공기의 내연기관은 이보다 훨씬 심각한 오염을 유발해왔다.

특히 헬리콥터는 대표적인 고배출 항공기로 알려져 있다.

예를 들어 관광용으로 널리 운용되는 로빈슨 R44 헬리콥터는 비행 1시간 동안 약 60L의 연료를 소비하며, 이로 인해 약 185kg의 탄소배출량(CO2e)이 발생하는 것으로 추산된다.

벨 206 제트레인저는 이보다 훨씬 높아, 시간당 연료 소비량이 100L에 달하고 CO2e 배출량 역시 321kg을 초과한다.

이러한 점을 고려하면, 비슷한 수준의 배출량을 가진 내연기관 VTOL을 도심 상공에 대규모로 띄우는 것은 지속 가능성 측면에서 불가능한 선택이다.

■ 해결 방안

eVTOL은 비행 중 직접적인 배출가스가 발생하지 않는다는 점에서 오염 저감 효과가 크다.

하지만 전력 공급원이 석탄 등 화석 연료에 기반한 경우, 간접적인 오염 문제는 여전히 남는다.

하이드로플레인 팀은 전력망에서 전기를 공급받을 필요 자체를 제거하고, 완전히 배출이 없는 방식으로 에너지를 생성하는 접근 방식을 취하고 있다.

센굽타 박사는 “우리는 항공 이동의 편리함을 유지하면서도 오염을 야기하는 불안과 죄책감 없이 이동할 수 있는 미래를 만들고자 한다”며 “대기오염을 획기적으로 줄일 수 있는 기술을 개발하고 있다는 점에 큰 자부심을 느낀다”고 말했다.

■ 결론

아니타 센굽타(Anita Sengupta) 박사와 하이드로플레인 팀은 수소 연료전지가 eVTOL이 직면한 네 가지 핵심 과제, 즉 배터리의 전력 밀도 한계, 기존 항공 기술과의 경쟁, 자율비행에 요구되는 높은 신뢰성, 내연기관 사용에 따른 지속 가능성 문제에 대한 해법을 제시한다고 보고 있다.

항공용으로 특화된 모듈형 연료전지 파워트레인은 높은 에너지 밀도와 빠른 연료 보급, 고장 요소 감소, 비행 중 배출가스 제로라는 장점을 갖는다.

파이퍼 체로키 고정익 항공기와 미 육군 헬리콥터에서 이미 실증 시험을 완료한 수소 연료전지는 도심 및 지역 항공 모빌리티를 장기간 안정적으로 구현할 수 있는 현실적인 대안으로 자리 잡고 있다.

※ 저자 소개
아니타 센굽타(Dr. Anita Sengupta) 박사는 항공우주 엔지니어이자 기후 기술 기업가, 상업용 조종사이며 USC 교수이다. 하이드로플레인(Hydroplane Ltd.)의 CEO로서 항공 및 에너지 저장을 위한 수소 연료전지 발전 시스템을 선도하며, 지속 가능성과 혁신을 기반으로 우주 탐사와 친환경 교통의 미래를 이끌고 있다.