スケーラブルな水素システムが排出ゼロ飛行を実現

モビリティは私たちの日常生活において重要な要素であり、航空はこの高速で場所から場所へ移動する能力の重要な構成要素です。

人や貨物が数時間で何マイルも移動できるようにすることで、航空業界は他のどの交通手段にも匹敵しない形で人々を結びつけます。これにより、世界の国内総生産（GDP）の3.5％を占める重要なグローバル経済への貢献者となっています。

この業界は世界で合計8,650万の雇用を支えており、グローバル航空業界の市場規模は7600億ドルを超えると推定されています。

特に、ACI Worldによると、世界中の航空会社は2024年に約95億人の乗客を輸送すると予測されており、これは2019年比で104％の増加、2023年比で9％の上昇を示しています。この成長はさらに加速し、2042年までに世界の乗客数は195億に達すると見込まれています。

航空業界は明らかに拡大しており、その将来は確かに明るいです。とはいえ、温室効果ガス（GHG）排出にもかなりの程度で寄与しています。

航空は世界全体の排出量の比較的少ない2.5%を占めていますが、2000年から2019年の間に鉄道、道路、船舶よりも速く成長しました。COVID-19パンデミック後の国際旅行需要の増加により、航空排出量は約950メトルトンのCO2に達しました。

航空排出量は急速に増加しているだけでなく、脱炭素化が最も困難なセクターの一つでもあり、重大な環境課題を提起しています。

その結果、業界は現在、事業の脱炭素化と2050年までに自然が吸収できるレベルまでCO2排出量を削減するネットゼロ目標の達成に注力しています。

排出ゼロ航空のために水素の可能性を解き放つ

航空は世界の二酸化炭素および飛行跡雲排出のかなりの部分を占めているため、業界の気候目標を達成するために高度で包括的なソリューションを開発することが極めて重要になっています。

有望な解決策の一つは、宇宙で最も軽く最も豊富な化学元素である水素で、全ての通常物質の約75％を構成しています。

この化学元素は、クリーンな燃焼特性により、人気かつ価値ある脱炭素化ツールとして浮上しています。燃焼時に副産物として水蒸気のみを生成するクリーン燃料です。

さらに、重力エネルギー密度（物質1単位質量あたりの利用可能エネルギー）は、水素が従来の航空燃料である灯油の約2.8倍に相当します。水素は実際に既知の全物質中で最も高い重力エネルギー密度（約120 kJ/g）を持ちます。対照的に、灯油ベースのジェット燃料のエネルギー密度は43 MJ/kgです。

しかし、水素は常温常圧での密度が低く（0.08 kg/m³）、特に長距離フライトにおいて大きな貯蔵課題をもたらします。

実用的な代替策として、無色・無臭・無味のガスを20 Kの液体状態で保存する方法があります。この形態により水素の密度は휌퐿퐇2 = 70.8 kg/m³に増加し、航空用途の解決策として浮上しています。

企業はまた、液体水素（LH2）の航空機への統合に関して、熱管理、圧力制御機構、断熱戦略、低温タンクの設計など様々な側面を検討しています。

しかし、LH2貯蔵、熱管理、転送制御を統合し、航空機設計にスケーラブルな形で実装する包括的システムはまだ十分に研究されていません。

そこで、フロリダA&M大学とフロリダ州立大学の共同工学部であるFAMU-FSU工学部の研究者チームは、航空業界がゼロエミッション目標を実現するのに役立つ液体水素貯蔵・供給システムを設計しました。

NASAの支援を受けて、本研究は水素をクリーン燃料として利用できるスケーラブルで統合されたシステムを概説し、複数の工学的課題に対処しました。また、電動航空機の重要な電力システムの内蔵冷却媒体としても使用されます。

チームは、液体水素が効率的に貯蔵され、安全に転送され、離陸、巡航、着陸の各フェーズで航空機の電力需要を支えながら、重要な機内システムの冷却に利用できることを示しました。

“私たちの目標は、燃料貯蔵、冷却、供給制御という複数の重要なタスクを処理する単一システムを作ることでした。この設計は、実用的な水素航空システムの基盤を築きます。”

水素ハイブリッド電動航空機：スケーラブルな推進ソリューション

Applied Energyに掲載された本研究は、統合ゼロエミッション航空（IZEA）向けにカスタマイズされた液体水素の貯蔵、熱管理、転送制御システムの革新的な設計を提案することで、航空業界の炭素および飛行跡雲排出を削減する課題に取り組んでいます。

IZEAは、商業航空からの温室効果ガス排出ゼロを目指す学術・産業連携プロジェクトです。産業パートナーにはRaytheon Technologies、Boeing、Advanced Magnet Laboratoriesが含まれます。

特に、この協働は、燃料電池とターボ電気発電機の組み合わせによるハイブリッド電力生成を検討し、水素を濃縮酸素または大気中の酸素と組み合わせて利用します。

IZEAの目標は、液体水素を燃料として使用し、重量を増やさずに効率と出力を向上させる方法を見つけることです。

彼らは、5年・1,000万ドルのプロジェクトの一環として、2022年後半に持続可能な航空システムの開発を支援するためにFAMU-FSU工学部を選定しました。

航空業界の有害排出を削減するためのエネルギーシステムと商用航空機推進に関する国家課題を達成するため、FAMU-FSUチームは、2年半前に発表されたIZEAのもと、ケンタッキー大学、バッファロー大学、ジョージア工科大学の研究者および産業パートナーと協力します。

現在、協働は包括的システムの欠如に対処し、将来の航空機向けにスケーラブルで包括的な水素ベースの推進システムを構築しました。

このプロジェクトは、液体水素で駆動する航空の短期的実現可能性を評価するために、短距離地域路線から始まります。焦点は、ブレンドウィングボディ構造を持ち、100名の乗客を搭載できるプロトタイプ航空機です。

ハイブリッド電動航空機は、水素燃料電池と高温超伝導（HTS）電気発電機の両方から電力を供給し、これらは水素燃料の燃焼タービンで駆動されます。

燃料電池はNOx排出と飛行跡雲を回避するソリューションを提供し、AirbusやCHEETAなどの組織が燃料電池駆動航空機を検討する理由となっています。しかし、現在の燃料電池スタックは非常にかさばり、大型航空機の各フェーズ、特に離陸時に電力供給が困難です。この問題への解決策として、チームはデュアル電源を導入しました。

燃料電池はタキシングや巡航など低負荷時に最大約6.8 MWで利用されます。一方、離陸時に必要な追加電力（9.4 MW）は水素タービン駆動の超伝導発電機が供給します。この組み合わせにより、総出力は最大16.2 MWに達し、電力冗長性を提供してレジリエンスが向上します。

密度の課題に対処するために、水素は密度が低く、-253°Cの超低温液体として保存しない限り多くのスペースを占有します。研究者は新しい重力指数を用いて、低温タンクと関連サブシステムを設計しました。

この指数は燃料質量と全燃料システムの比率ですが、チームの指数は水素燃料、タンク構造、熱交換器、断熱材、作動流体、循環装置の質量も含みます。

総システム質量に対する燃料質量の最大化を実現する構成を見つけるため、研究者はベント圧や熱交換器の寸法などの主要パラメータを調整し続け、最適解に到達しました。

理想的なレイアウトは重力指数0.62を達成しました。これはシステム全体重量の62％が利用可能な水素燃料であることを意味し、従来設計に比べて大幅な改善です。

熱管理はシステムのもう一つの重要機能であり、研究者は別個の冷却システムを設置せず、極低温の水素を熱交換器を通して循環させました。段階的に配置されたこれらの熱交換器は、ケーブル、モーター、超伝導発電機、パワーエレクトロニクスなどの部品から無駄な熱を除去し、吸収された熱により水素の温度が徐々に上昇します。

飛行中の水素供給と熱管理の最適化

航空機全体に液体水素を供給する際には独自の課題があります。例えば、ポンプは余分な重量とシステムの複雑さをもたらし、低温条件下で不要な熱を発生させる可能性があります。

これらの課題を克服するため、チームはタンク圧力を利用して水素燃料の流れを制御するポンプ不要システムを開発しました。

圧力は通常の高圧シリンダーから水素ガスを注入して上げ、氷点蒸気を排出して下げます。圧力のリアルタイム調整のため、フィードバックループが圧力センサーと航空機の電力需要を結びつけ、全飛行フェーズで正確な水素流量を保証します。

シミュレーションによれば、システムは最大0.25キログラム/秒の水素供給が可能です。この供給率は、離陸時や緊急時の航空機の周回時に必要な16.2メガワットの電力需要を満たすのに十分です。

熱交換が順次配置されているため、水素がシステム内を移動すると、まずケーブルやHTS発電機など低温で動作する部品を冷却します。その後、モーターやパワーエレクトロニクスなど高温部品から熱を吸収し、最後に水素が燃料電池に到達する前に、燃料電池入口の最適条件に合わせて予熱されます。

この段階的熱統合により、液体水素は燃料と冷却剤の両方として使用でき、システムの効率を最大化しながらハードウェアの複雑さを最小化します。

“以前は、航空機内で液体水素を効果的に移動させる方法や、電力システム部品の冷却に使用できるかどうかが不明でした。我々はそれが実現可能であることを示しただけでなく、この種の設計にはシステムレベルの最適化が必要であることも実証しました。”

– Guo

本研究の焦点は設計最適化とシステムシミュレーションにありました。次のステップでは、研究者は実験的検証を行います。そのために、チームはプロトタイプシステムを構築し、FSUの先進電力システムセンターでテストを実施します。

今後の研究では、すべての循環ループに存在し、部品から作動流体へ熱を転送する熱交換器の設計にも焦点を当てます。現在の研究では、これら部品の材料、サイズ、熱特性に関する詳細な仕様が欠如しています。

燃料電池スタックを冷却し、運転中に発生する大量の熱に対処するため、革新的な熱管理戦略も焦点となります。研究は、これらの進歩が全体的な熱管理アーキテクチャの洗練とゼロエミッション航空技術の実用的実装に不可欠であると指摘しています。

水素駆動航空技術への投資

航空セクターへの投資に関しては、RTX (RTX )は高い潜在性を持つ機会を提供します。世界最大の航空宇宙・防衛企業である同社は、IZEA協働の主要産業パートナーでもあり、燃料電池や水素駆動システムを含む持続可能な航空技術を対象とした広範なR&Dプログラムを持っています。

RTX Corp. (RTX ) 

RTXは3つの主要セグメントで事業を展開しています：

• Collins Aerospaceは、商業航空会社、民間・軍用航空機メーカー、宇宙事業向けに、技術的に高度な航空宇宙・防衛製品を提供しています。
• Pratt & Whitney部門は、軍事、一般、商業顧客に航空機エンジンを供給しています。
• Raytheonはミサイル、スマート兵器、先進的な航空・ミサイル防衛能力を開発しています。

Collins AerospaceとPratt & Whitney部門を通じて、RTXは水素駆動航空機および関連技術の開発と試験に積極的に関与しています。

これには、航空業界が大規模に水素を使用できるようにするHySIITEプログラムが含まれます。DOEの先端研究プロジェクト局（ARPA-E）がスポンサーで、液体水素に最適化された本プロジェクトは2024年12月に完了しました。HySIITE装置のテストでは、GTFエンジンと比較してNOxが99.3％削減され、エネルギー効率が最大35％向上しました。

一方、他の2つのプロジェクトは航空における水素の将来を推進するために継続中です。カナダの産官共同イニシアチブINSATが支援するHydrogen Advanced Engine Study（HyADES）は、ターボプロップ航空機向けの水素利用を進めています。COCOLIH2TはEUのクリーン水素共同事業（Clean Hydrogen Joint Undertaking）の支援を受け、燃料の貯蔵方法を開発しています。

Raytheonの市場パフォーマンスに関しては、株価が高騰しています。執筆時点で時価総額が1836億ドルの同社株は、137.50ドルを超えて取引されており、史上最高値（ATH）を更新し、年初来（YTD）で18.7％の上昇を示しています。

過去30年間、RTX株は着実に成長してきました。4月の安値から約21％上昇しています。その結果、EPS（TTM）は3.41、P/E（TTM）は40.31です。Raytheonは1.98％の魅力的な配当利回りも提供しています。

会社の財務に関しては、報告されたところ、2025年第1四半期は前年比5％増の203億ドルの売上高と、調整後EPSが1.47ドルと好調でした。この期間のRaytheonの営業キャッシュフローは13億ドル、フリーキャッシュフローは8億ドルで、受注残は2170億ドル（防衛部門920億ドル、商業部門1250億ドル）です。

“2025年のスタートは好調です。現在の環境は非常にダイナミックですが、当社は運用面で有利な位置にあり、チームは約束の実行と堅実な受注残の提供に集中しています。”

– RTX社長兼CEO Chris Calio

2025年全体で、同社は調整後売上高を830億〜840億ドル、調整後EPSを6.00〜6.15ドル、フリーキャッシュフローを70億〜75億ドルと予測していますが、これらの見通しは最近施行された関税の影響は含んでいません。

これらすべての中で、同社は今週米海軍からSPY-6レーダー族に対し5億3600万ドルの契約を受注しました。このレーダーはすでに2隻の艦に搭載され、さらに3隻が設置準備中です。今後10年間で、60隻以上の米海軍艦艇に配備される予定です。

契約の一環として、Raytheonはトレーニング、設置、統合、テストに加えて、レーダー性能向上のためのソフトウェアアップグレードを通じた継続的なサポートを提供します。

“SPY-6は米海軍艦隊で最も先進的なレーダーであり、艦船に進化する脅威に対する新たな防御レベルを提供します。”

– RaytheonのNaval Power部門長 Barbara Borgonovi。

13番目のAN/TPY-2ミサイル防衛レーダーも米ミサイル防衛庁に納入され、完全GaNベースのアレイを備えた初のユニットとなり、システムの感度と性能を大幅に向上させました。

同社はAIM-9Xサイドワインダー・ミサイルの製造・納入に向けて11億ドルの契約も確保しました。この受注により、Raytheonは世界的に広く使用されている短距離ミサイルシステムであるサイドワインダー・プログラムへの長期的支援を継続します。

トップ航空宇宙・防衛株のリストはこちら

最新のRTX Corp.（RTX）株式ニュースと開発

最終考察：持続可能な航空における水素の役割

航空セクターは急速に成長し、世界の経済・社会発展に貢献していますが、同時に炭素および飛行跡雲排出の問題に対処する緊急の必要性も生じています。ここで、高い特定化学エネルギーを持つ水素は有望なクリーン燃料代替として浮上しています。

この点を踏まえ、最新の研究は液体水素貯蔵、熱管理、転送制御システムの設計と最適化の包括的フレームワークを提示し、効率的で持続可能な航空技術の進展にその可能性を示しています。

水素が気候変動と大気質に与えるプラスの影響を活用することで、航空業界は炭素フットプリントを削減する実行可能な道筋を得ており、長距離旅行が地球への負担なしに実現できる未来への道を切り開いています。

次世代フライトへの道を切り開く最新の航空宇宙イノベーションはこちら

参照された研究：

^{1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Liquid hydrogen storage, thermal management, and transfer-control system for integrated zero emission aviation (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}