皆さんこんにちは！
eVTOLは、今後の世界を救う乗り物になるのでしょうか？
今、世界で開発されているeVTOLに弱点はあるのでしょうか？
リスクと課題は？
EVTOLの「過酷な」動作要求によりバッテリー寿命が短くなる
この ORNL インフォグラフィックは、飛行のさまざまな段階における eVTOL バッテリーの容量と電力を示しています。 （画像：ORNL）
電気航空機はまだ初期段階にあるため、eVTOL 開発者は主に、航空機に電力を供給
するために電気地上車両 (EV) に搭載されているのと同じリチウムイオン電池セルに
依存してきました。 EV におけるリチウムイオン電池の性能はよく理解されています
が、航空業界での応用は比較的未知であり、これらの電池が eVTOL エアタクシーの
運行中に耐えることになる過酷な条件にどのように耐えられるかはまだ明らかではあ
りません。
理解を深めるために、テネシー州にあるオークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者
らは、典型的なエアタクシーの運行をシミュレーションし、eVTOL航空機の飛行プロ
ファイルがサイクリングを繰り返した後にEVのバッテリーに与える影響に関する研究
を実施しました。研究チームは、eVTOL飛行に必要な電力と性能によりバッテリーの
性能と寿命が低下し、安全性が脅かされる可能性があることを発見しました。また、
バッテリーを頻繁に交換する必要があるため、航空機のメンテナンス費用も増加する
可能性があります。
eVTOLが垂直に離陸するとき、「これらのバッテリーが経験する可能性のある危険の
量は、これまでに見たことのないものになるでしょう」と、研究に参加したORNL企業
フェローのイリアス・ベルハルアクは語りました。 eVTOLバッテリーは「非常に過酷
な条件」にさらされるため、早期かつ予期せぬ損傷や腐食が発生しやすい可能性がある
と同氏は説明しました。
ベルハルアク氏と彼のチームは、リチウムイオン電池技術を進歩させ、eVTOL飛行用
に電池セルを最適化することで、この問題を軽減することを目指しています。しかし、
最善の解決策を見つけるためには、まず問題を徹底的に定義する必要がありました。
この研究により、チームは、サイクルを繰り返すeVTOL飛行の高い電力需要にさらさ
れたときに、サブセルレベルでバッテリーに何が起こるかを正確に判断しようとしまし
た。この発見は、新しい材料、特に電池の電解質の探索に役立つ情報となり、性能と
耐久性の向上につながる可能性があります。
高電力需要
リチウムイオン電池はEV向けに徹底的にテストおよび検証されていますが、eVTOL
動作中に経験する条件は通常の運転条件と比較できません。 EV のバッテリーは通常、
一定の速度で消耗しますが、eVTOL は、特に離陸時と着陸時に短時間の高出力を必
要とします。
エアタクシー用の電気バッテリーは、地上車両よりも頻繁かつ急速な充電と放電にも
耐えることができます。たとえば、テスラはフルバッテリーで数時間駆動でき、レベ
ル 3 DC 急速充電器を使用すると充電に約 45 分かかります。また、ほとんどのユー
ザーは 1 日に 1 回以上充電する必要はありません。一方、最初のeVTOLエアタクシ
ーは約10分間飛行し、その後約10分間充電し、これを繰り返すと予想されています。
「非常に急速に充電し、非常に急速に放電する必要があります。これにより、バッテ
リーに大きな負担がかかります」とベルハロアック氏は語りました。
ORNL の ベルハロアック 氏と彼のチームは、エネルギー省のバッテリー製造施設で
現場で製造した代表的なバッテリーを使用して、模擬 eVTOL バッテリー テストを
実施しました。彼らはサイクル中のバッテリー性能を監視し、その後、走査型電子
顕微鏡を使用してバッテリーのコンポーネントを評価し、腐食やその他の化学的また
は構造的変化をチェックしました。
「バッテリーは 1,000 サイクル終了時の容量だけではありません。サイクル内で
何が起こっているかによって、システムが機能するかクラッシュするかがわかりま
す」と、この研究の主任研究者であるマーム・ディクシット氏は ORNL の声明で述
ました。 「そして、空中に上がることがどれだけ安全なのかが問われているので、
ここでは賭け金がはるかに高くなります。これは私たちにもまだ答えが分からない
質問です。」
このシミュレーションでは、研究者らは、巡航飛行をシミュレートするために、
15℃の高放電率を45秒間採用しました。これは一般的なeVTOL離陸時の平均的な
高出力需要を表すとのことです。その後、低率放電を行った。 15C の放電速度は、
その速度でバッテリーが 1 時間に全容量を 15 回放電することを意味します。
「注目すべきことに、この低レート評価中にセルは有望な動作を示し、本来の容量
を達成し、良好な保持力を示しました。この観察は、15Cパルス試験後に経験した
容量損失が不可逆的ではなく、低レート条件下でもセルの電気化学的能力が部分的
に回復したことを示唆している」と研究者らは、に2月12日に掲載された研究で
述べています。
しかし、低レート回復期間の後に高出力パルステストを行ったところ、バッテリー
セルは「回復力の明らかに低下」を示しました。研究者らは走査型電子顕微鏡を使
用して、アノード上に残留メッキ（金属に変化するリチウム原子の蓄積）の証拠を
発見しました。研究によると、この発見は電解質材料の故障を示しています。
「リチウムメッキの存在は、樹枝状構造（アノードから成長してセパレーターを貫
通する可能性のある針状の構造）の形成につながる可能性があり、短絡を引き起こし、
バッテリー全体の安全性と寿命を損なう可能性がある」と研究者らは研究の中で述
べています。 「陽極めっきの検出は、eVTOL 動作に特有の急速な電力サージに関連
する課題を浮き彫りにします。高レート放電中にアノードにかかる極端な要求がこれ
らのめっき現象を引き起こす可能性があり、この問題を軽減し、eVTOL アプリケー
ションにおけるバッテリーのサイクル耐久性を向上させるための高度なアノード材料
または革新的な設計アプローチの必要性が強調されています。」
バッテリーセルの電解質とアノードコンポーネントには劣化の兆候が見られましたが、
研究者らは、セルのカソードが繰り返しの高出力放電に対して回復力を維持している
ことを発見しました。 「正極材料の完全性が保たれていることは、激しい高率放電下
でも、正極の構造安定性と電気化学的活性が比較的影響を受けないことを示唆してい
ます。」
電解質溶液
最終的には、より高いエネルギー密度と出力密度の両方を提供する、リチウムイオ
ンに代わる電池化学の開発が、電気航空機にとっての聖杯となる可能性があります。
しかし、誰かがノーベル賞に値する発見をするまで、リチウムイオン電池は遍在し
続けるでしょう。
それまでのところ、リチウムイオン電池技術にはまだ改善の余地がたくさんあります。
研究者は、アノード、カソード、電解質などのコンポーネントにさまざまな材料を使
用して、バッテリーの性能を向上させ、寿命を延ばす方法を継続的に模索しています。
たとえば、電池メーカーの Amprius は、電気航空用途向けに提供している電池に シ
リコンナノワイヤ陽極を使用しています。
ベルハロアック 氏と彼のチームは、リチウムイオン電池をeVTOLの運用により適し
たものにするための解決策は、充放電中にリチウムイオンが通過する電池の正極と
負極の間の媒体である電解質の中にあると信じています。 「これらの問題のほとんど
は、電解質溶液によって軽減できます。そして、それらの電解質は、従来の電解質と
比較して非常に速くリチウムイオンを運ぶだけです。」とベルハルアク氏は述べてい
ます。
ORNL チームは、eVTOL バッテリー研究の一環として、研究所で開発された新しい
電解質ソリューションをテストしてきました。解決策の 1 つは、電解質内の塩を変更
することによって作成された高伝導媒体です。彼らはまた、通常は液体である電解質
材料に一種のゲルを使用する解決策も模索しています。研究者らによると、ORNLが
開発した電解質は現在の最先端のバッテリーよりも優れた性能を発揮し、飛行中の最
も電力を消費する段階でより多くの容量を保持したということです。
ORNL チームは今のところ電解質ソリューションに焦点を当てていますが、研究プロ
グラムの最終目標は、最終的には電気航空機用のリチウムイオン電池に代わるまった
く新しい電池化学を開発することです。
「私たちは、今日存在する最先端技術を評価することからこのプログラムを開始しま
した。そこから、電解質開発のソリューションに移りますが、そこでは最先端技術と
比較して非常に優れた改善が見られます。このプログラムの 3 番目のポートフォリオ
は、化学を完全に変えることです。つまり、このアプリケーションで実現する必要が
ある出力密度とエネルギー密度のバランスを念頭に置きながら、カソード、アノード、
電解質を同時に変更することを意味します」とベルハロアック氏は説明しました。
航空用途に有望な新しい電池化学の例には、液体またはゲル電解質を固体材料で置き
換える全固体電池や、リチウム硫黄電池が含まれます。どちらも、長時間の使用に必
要なより高いエネルギー密度を提供できます。
「しかし、これらはまだ初期段階にあり、これらの過酷な条件下で彼らがどのように
行動するかを判断できるようになるまでに数年かかるでしょう」と彼は言いました。
「これらの非常に特殊なプロトコルまたはひずみ条件の下でテストする必要があり、
その後、それらが価値があるかどうかを判断する必要があります。」
Belharouak 氏は、eVTOL 用途向けのあらゆる種類のバッテリーは、「エネルギー
密度と出力密度だけではなく、適用される一連のプロトコルに基づいて理解および
理解する必要がある」と強調しました。
EVTOLメーカーの統合と市場投入までの長い道のり
ハネウェル、EVTOLメーカーの統合と市場投入までの長い道のりを見据えている
戦略的パートナーであり、複数の新しいプログラムのサプライヤーであるハネウェル・
エアロスペース社によると、先進エアモビリティ（AAM）分野では今後2年間、一部
のeVTOL航空機開発者が市場投入を巡る熾烈な競争から脱落し、統合の波が訪れるだ
ろうということです。米国グループの無人航空機システム／都市航空モビリティ事業
部門のリーダーらは金曜日、ロンドンでの会見で記者団に対し、エアタクシーの運行
開始は２０２６年までは見込まれておらず、大幅に規模が拡大するまでにはさらに２
年かかると述べました。ハネウェルは、無人 eVTOL 貨物運用のための地上管制ステ
ーションを開発しています。
しかし、同社のAAM担当最高技術責任者ダニエル・ニューマン氏によると、無人ミ
ドルマイル貨物サービスは今年末か2025年初頭までに稼働する可能性があり、
「（eVTOLプログラムの）オファーは淘汰される」と予想しました。ブリーフィング
中、同氏と製品ディレクターのサパン・シャー氏は、「ミッションマネージャー」が
複数の飛行を同時に指揮できるようにハネウェルが開発している地上管制ステーション
をデモンストレーションしました。同社は、eVTOL 貨物輸送機により、どこでも同日
配送が実現すると考えています。
少なくとも米国の eVTOL メーカー 2 社は、2025 年の商業飛行開始に間に合うよう、
今年末までに型式証明を完了することに依然として取り組んでいます。しかし、ハネ
ウェルは、この時点に到達するまでにまだ多くの作業を完了する必要があると見てい
ます。
例えば、シャー氏は、FAAとEASAの両方の規制が完全に確立されるまでにはさらに
12か月かかる可能性があると示唆しました。同氏はまた、利用可能な資金に関する
不確実性、企業がはるかに影響力のあるコミュニティ関与を実施する必要性、専用
のバーティポートがほとんど準備が整っていない可能性が高いため、既存のインフ
ラを使用してサービスを開始する意欲があることなどについても警告しました。
ハネウェルは、2017 年に無人航空機システム センター オブ エクセレンスを開設
したとき、後に AAM 部門となる部門との直接的な関わりを開始しました。その後、
2020 年 3 月には、アリゾナ州フェニックスに専用の研究所を備えた本格的な事業
部門を設立しました。新しいアプリケーションのためにグループ全体からテクノロ
ジーを利用して再利用する権限が与えられます。
サポートしている電動航空機メーカーには、Joby、EHang、Archer、Alaka’i、
Wisk、Airbus、Heart Aerospace、Pipistrel、Aerofugia、Supernal、SkyDrive、
Ascendance、Jaunt、Eve、Dufour Aerospace、Beta、Regent が含まれます。
また、Vertical Aerospace、Lilium、Volocopter の投資家および主要パートナー
でもあります。
ハネウェルは、スーパーナルのS-A2航空機に搭載されるアンセム・フライトデッキ
など、ビジネス航空などの分野ですでに適用されている技術を応用しています。
同社はまた、いわゆる簡易車両運用（SVO）にも多くの努力を注いでおり、これに
より経験の浅いパイロットでもeVTOLモデルの操縦が可能になる道が開かれる可能
性があるとしています。実際、シャーによれば、航空輸送の新しい部門の新兵の遺
伝子プールを大幅に拡大するアプローチでは、彼らはパイロットとして指定される
ことさえないかもしれないということです。
自動化を急ぐのではなく、自動化を進める
ますます自動化された飛行の範囲を拡大することは、安全性と効率的な運用の両方
の観点から必要不可欠であると考えられています。 「ホバリング中、eVTOL 車両
は非常に電力を消費するため、着陸地点上でホバリングに多くの時間を費やすこと
はできません」とニューマン氏は説明しました。 「したがって、高度に熟練した
テストパイロットや500時間勤務のパイロットが毎回着陸地点上で完全に停止でき
るように、非常に直観的なディスプレイが必要です。なぜなら、航空機を停止して
位置をわずか数メートル調整するのは電力的にコストがかかりすぎるからです」。
ニューマン氏は、ハネウェルが飛行自動化への段階的なアプローチを提唱している
ことを熱心に強調した。 「（パイロットを乗せずに）自律化することは願望であり、
自律化に向けて飛躍しようとすることは一部の人々を怖がらせ、（進歩の）妨げと
なる」と同氏は主張しました。既存の規制は特定の SVO 要件をカバーしていません
が、ハネウェルとその他のパートナーは、欧州連合が資金提供する Mosaic プロジェ
クトの一環としてこれらの要件を策定することに取り組んでいます。
ハネウェルは、アビオニクス、飛行制御、ナビゲーション センサー以外にも、新し
い航空機用の電気推進システム、電気機械アクチュエーター、接続システム、熱管
理システムの開発も行っています。アクチュエータと推進システムはフライバイワ
イヤ制御と統合されます。
シャー氏は、地上管制ステーションについて、同社のエンジニアは実証済みの家庭
用電子機器の直感的なレイアウトから多くのインスピレーションを得たと述べまし
た。コンセプトは、隣接する 3 つのディスプレイの 1 つに表示される艦隊の概要
から各オペレーターに任務が割り当てられるというものです。各フライトのあらゆ
る側面を中央の画面でリモート管理し、3 番目の画面で各車両の現在のステータス
を確認できるようになります。
このプロセスは、サードパーティの無人運航管理サービス プロバイダーによって各
飛行計画が検証されることから始まります。ミッション管制官は画面上で飛行を切
り替えることができ、飛行や車両の状態に変化があれば、画面上に色分けされたメ
ッセージで警告されます。
まとめ
この記事にあるように、今世界のeVTOLを牽引しているのはジョビーとアーチャー
です。UAM（アーバンエアモビリティ）と呼ばれている郊外型のeVTOLは、その
エネルギーをバッテリーの性能に頼っています。今後、優れた（長時間使用可能）
のバッテリーが出てくことを期待できますが、ここ数年ではないでしょう。
そうした場合に、現実的なeVTOLが運航できるのはまだ先になるかもしれません。
また、どの企業の機体も同じ様な構造になっています。遅かれ早かれ、開発により
多くの資金を集め、量産体勢が整った企業が生き残るでしょう。
それでは今日はこの辺で・・・
またお会いできる日を楽しみにしています。
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