宇宙
最新の航空宇宙イノベーションが次世代航空の道を切り開く
Securities.io を Google の優先ソースに追加
急速に進化する航空宇宙産業は、効率、性能、安全性を向上させながら、炭素排出量を削減し、持続可能性を維持する方法を常に模索しています。
近年、いくつかの技術的進歩により、地球の大気圏内外での航空旅行の能力が拡大しました。これには、通信向けの高度な衛星技術、軽量部品のための付加製造、排出量とコストを削減する電気推進、より高速な移動のための超音速飛行、そして人工知能と機械学習による運用効率の向上が含まれます。
航空宇宙は、非常に特定の特性を持つ先進材料に焦点を当てています。システムは通常、セラミック熱材料から炭素繊維、チタンに至るまでさまざまな材料を含み、性能最適化のために多様な用途で使用されます。
この分野の研究は、多機能材料の開発を目指しています。つまり、構造的機能だけでなく、アクティブ冷却などの追加機能も提供できる材料です。先進的な航空宇宙コンセプトを実現するためには、材料はこれまで以上に耐久性が高く、軽量で、コスト効果が求められます。
航空宇宙産業が進展し続ける中、さらに前進させる最新の画期的イノベーションを検証しましょう。
『マテリアルズ・ゲノム』の解明で設計を進化させる
先月、シドニー大学航空・機械・メカトロニクス工学部の研究者たちが顕微鏡手法を発見しました先進鋼やカスタムシリコンなどの結晶材料内の原子関係を解明するために。
これは、研究者がこれらの材料の原子レベルの構造におけるごく小さな変化さえも検出でき、特性と挙動の根本的な起源に対する理解を深めることを意味します。この知識は、エレクトロニクス用の先進半導体や航空宇宙部門向けの軽量で強靭な合金の開発を可能にします。
このために、研究者は原子探査トモグラフィー（APT）という、原子を三次元（3D）で可視化する手法を用いて、短程秩序（SRO）の複雑さを解明しました。SROは、材料の構成元素がランダム分布からどれだけ逸脱しているかを定量的に測定する指標です。局所的な原子環境を理解することは、革新的な材料を創出する上で不可欠です。
結晶内の原子スケールで隣接関係の非ランダム性を詳細に定量化することで、SROは「特定の隣接配置を持つ原子ごとにカスタム設計された材料が、強度などの望ましい特性を実現する」という膨大な可能性を開きます、とシドニー大学の研究リーダーであるサイモン・リンガー教授（大学の副学長（研究インフラ））は述べています。
時に『マテリアルズ・ゲノム』と呼ばれるSROは、測定と定量化が課題とされてきました。これは、これは、原子配列が極めて小さなスケールで起こるため、従来の顕微鏡技術では観測できないからです。
そこで、研究チームはAPTを用いた新しい手法を開発し、これらの課題を克服しました。これは「材料科学における重要なブレークスルー」とリンガー氏は述べています。
研究の焦点は、高温強度が求められるジェットエンジンや発電所などの用途に潜在的に利用できる高エントロピー合金（HEA）にあります。
研究者は先進的なデータサイエンス手法とAPTから得られたデータを活用し、SROを観測・測定しました。その結果、コバルト、クロム、ニッケルからなる高エントロピー合金が異なる熱処理下でどのようにSROが変化するかを比較できました。
アンドリュー・ブリーン博士（上級ポストドクトラル研究員）によれば：
（本研究は）測定が有効である正確な条件範囲と無効である条件範囲を限定する感度分析を実施しました。
原子レベルの構造変化が材料性能に大きな飛躍をもたらすことを示すために、航空宇宙・機械・メカトロニクス工学部のポストドク研究員である孟偉（メンウェイ）博士は、SROを測定・理解することで、材料設計へのアプローチを変革し、\”原子レベルの微小な変化が材料性能に大きな飛躍をもたらす\”と述べています。
さらに、顕微鏡レベルでの設計図を提供することで、研究者は材料の挙動を計算シミュレーションし、モデル化し、予測する能力が向上します。これは、SROが重要な材料特性を制御する将来の研究のテンプレートとしても機能します。
超音速飛行を可能にする新素材
持続的な超音速飛行を実現することへの関心は高いものの、技術的課題が残っています。これらには、極端な熱管理、応力・高温・酸化に耐える材料の開発、そして高速度・高高度で効率的に動作する推進システムの構築が含まれます。
研究者がこれらの問題の解決策を模索する中、広州大学材料科学工学部の科学者たちは、今年初めに超音速用熱シールドの画期的な成果を報告しました。
超音速飛行のゲームチェンジャーとなり得るものとして、科学者たちは「多孔質セラミック」という新素材を開発し、これが「卓越した熱安定性」と「超高圧縮強度」を提供すると述べています。
これは、多段階構造設計を用いて実現され、科学者らはこれが史上初めてであると述べています。さらに、この高エントロピーセラミックの迅速な製造は、航空宇宙、化学工学、エネルギー生産・転送の分野での広範な探索への道を開きます。
研究者らは、このセラミックが「超高速高温合成技術」によって製造され、これにより卓越した機械的荷重耐性と高い熱絶縁性能が実現できると述べています。
強度が高く軽量で熱伝導率が低い材料の課題に対処するため、研究者は不燃性で耐腐食性があり、融点が高く熱伝導率が低いセラミック材料を使用しました。もちろん、従来のセラミック材料は極端な高温・高圧に対処するには依然として不十分です。
軽量で多孔質の材料は熱伝達能力が低い一方で、脆さが増すという欠点があります。
そこで、研究者は「多孔質セラミックの機械的強度と熱絶縁性能の同時向上」に取り組みました。この取り組みは、高エントロピー概念へと導き、等量の複数元素を組み合わせて、より強く、安定し、耐熱性の高い部品を作り出すことを目指しています。
科学者たちは新たに作成したセラミック材料—9カチオン多孔質高エントロピージボライト（9PHEB）と呼ばれるもの—が、熱耐性と強度のバランスをうまく取れ、従来の制限を超えていることを確認しました。この新素材は、航空宇宙飛行に必要な重量と絶熱基準も満たしています。
研究者によれば：
欠陥やアモルファス相のない強固な結合で特徴付けられる高品質インターフェースは、荷重時に構成ブロック間および他の多数のブロック間で迅速な力伝達を促進し、機械的強度を大幅に向上させます。
研究はまた、新素材9PHEBが強度と熱安定性の両面で卓越していることを指摘しました。
航空宇宙構造用自己修復材料
自己修復ポリマーとナノコンポジットは、航空宇宙産業に大きく貢献した革新的な材料です。また、電子機器、バッテリー、医療、その他の技術分野でもその応用が大きく研究されています。
自己修復材料は何世紀にもわたって存在していますが、過去数十年でのイノベーションが急増し、合成自己修復材料の開発につながっています。
これらの材料は、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、エラストマー、形状記憶ポリマー、ポリマー複合材、ナノコンポジットなど、独自の化学に応じてさまざまな形態で見られます。
その能力に応じて、これらの材料はしばしば、材料内部の化学結合や分子運動に依存する「内在的自己修復材料」または、損傷時に外部の修復剤が作動する「外在的自己修復材料」と呼ばれます。
ポリマーは構造用途において特に重要とされており、構造損傷を修復する驚異的な能力を持っています。これは、ポリマー鎖の可動化と架橋によって実現されます。
航空宇宙産業では、自己修復ナノコンポジットはエンジン、機体、接着剤、コーティングなどのエンジニアリング構造に特に有用です。自己修復ナノコンポジットは、ポリマーにナノ粒子を組み込むことで製造されます。可逆的に損傷を修復する能力のため、熱硬化性および熱可塑性ポリマーはナノ炭素粒子で強化されます。
ナノフィラーはナノコンポジットの自己修復効果をさらに高めます。ナノフィラーの種類と含有量は、自己修復効果を引き起こす上で重要な要素です。
従来は、エンジン開発に陶磁器や金属材料が使用されてきましたが、近年では高温耐性ジェットエンジンにポリマー材料や複合材がますます利用されています。この変化は、複合材料が衝撃や破損からの構造損傷に対してより優れた耐性を示すためです。
非常に高温に耐えるセラミック繊維を用いることで、自己修復ナノコンポジットは固定式および可搬式のジェットエンジン部品の製造に利用されています。これらのナノ材料は、圧力、損傷、腐食に対しても耐性があることが判明し、エンジン効率の向上に寄与しています。
自己修復ポリマーに関する継続的な研究は、高圧・高温・衝撃環境に耐える材料の可能性を示しており、宇宙構造の耐久性を大幅に向上させることが期待されています。将来的には、航空宇宙構造の損傷を感知するナノカーボンナノコンポジットの開発も見込まれますが、これには優れた自己修復効率を持つ新たな修復剤が必要です。
(LMT )興味深いことに、オランダのデルフト工科大学の航空構造・材料学准教授であるクナル・マサニア博士は、航空宇宙分野で使用する「リビングマテリアル」を開発しました。これらのリビングマテリアルは、バクテリアや菌類などの微生物を含み、自己修復能力を持ちます。開発しました「リビングマテリアル」は航空宇宙部門で使用されます。
チームは、過酷な環境に耐えやすく、培養が比較的容易であるという理由で菌類を選びました。菌類細胞は相互接続できるため、材料全体に少数の細胞を分散させるだけで再接続し、センシングネットワークを形成できます。これらのリビングマテリアルは、実際には特殊な3Dプリンティング手法と新しい3Dプリンティングインクを用いて製造されています。
この開発は、欧州連合からの助成金を受けた5年プロジェクトAM-IMATEの一環として行われました。 プロジェクトの目標は
（プロジェクトの目標は）機械的応力を感知し適応できる、生物のように振る舞うエンジニアリング構造を作ることです。
生物学的自己修復材料を使用することで、航空宇宙で使用される重要構造の耐久性と性能が向上するだけでなく、持続可能性も高まります。AM-IMITEチームは、実際に航空機内部のコア材料として複合材の使用を検討しています。
「我々の材料は非常に軽量で、現在使用されている材料よりも持続可能です」とマサニア氏は述べ、プラスチックや金属を置き換えることで化石燃料への依存が不要になると付け加えました。また、「航空機部品は分解されて自然に戻すことができる」と語っています。
しかし、これだけではありません。チームは、現地の資源と菌類を組み合わせて、他の惑星上の新しい居住地の基礎となる可能性も見据えています。
航空宇宙技術をリードする企業
航空宇宙産業で活動する企業を見ると、General Dynamics Corporation (GD ) （GD）、SpaceX (SPCX ) 、Virgin Galactic (SPCE ) 、Sierra Nevada Corporationなど、技術を進化させている主要プレーヤーが多数存在します。
ロッキード・マーティン・コーポレーション（LMT）は、世界最大級の防衛請負業者の一つであり、この分野でも有名です。戦闘機、ミサイルシステム、宇宙探査技術で知られるロッキード・マーティンは、Amazon (AMZN ) とCiscoと協力して、宇宙船上の効率と状況認識を向上させるAIベースの通信ソフトウェア「Callisto」を開発しました。最近では、衛星ソリューションプロバイダーのTerran Orbitalを4億5,000万ドルで取得しました。
ボーイングは別の主要プレーヤーですは、商業および軍事航空宇宙分野で活動しています。同社は現在、品質管理問題や737 Max機の継続的な問題、安全性への懸念、そしてエアバスとの競争に対して厳しい監視を受けています。
エアバスは主に商用航空機の設計・製造に携わっています。製品のCO2排出量を削減するため、同社は開発していますバイオ由来の材料を航空機製造に導入しています。このため、化石燃料由来の炭素繊維に代わる代替素材を検討しており、翼や機体外殻などの部品に使用されています。
さて、いくつかの著名な企業を詳しく見てみましょう：
#1. Raytheon Technologies
航空電子機器、防衛エレクトロニクス、ミサイルシステムに注力しており、2020年にレイセオンはユナイテッド・テクノロジーズとの合併を完了し、世界で最も先進的な航空宇宙・防衛システムプロバイダーを形成しました。
同社が今年注目すべき開発には：
- DARPAに選ばれ、画像応用で使用される量子光学センサーを提供
- MAYAをプレミアム航空旅行の未来として発表
- 製造成長を促進するため、スポケーンに2億ドルを投資
- 国際宇宙ステーション向け次世代宇宙服のクルー能力評価テストを完了
- ミサイル開発プログラム向け電子ユニットの近代化に3億4,400万ドルの契約を受注
執筆時点で、レイセオン（RTX:NYSE）の株価は118.35ドルで、年初来40.66%上昇しています。同社の時価総額は1,574.3億ドルで、配当利回りは2.13%です。
RTX 価格チャート
2024年第2四半期において、同社は売上高197億ドルを報告し、前年同期比で8%増加しました。営業キャッシュフローは27億ドルでした。レイセオンは、商業部門が1,290億ドル、防衛部門が770億ドルを含む、総額2,060億ドルの受注残があると述べました。調整後EPSは1.41ドルで、前年同期比9%上昇しました。
「RTXは第2四半期に強力な業績を達成し、10%の有機的売上成長、全3セグメントでの調整マージン拡大、そして22億ドルのフリーキャッシュフローを実現しました。」
– RTX社長兼CEO クリス・カリオ
彼はまた、受注残と「ポートフォリオ全体で前例のない需要」があることから、革新的な技術と能力への投資に注力していると述べました。
#2. Northrop Grumman
防衛と航空宇宙を専門とするノースロップ・グラマンは、無人システム、サイバーセキュリティ、そしてジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を含む先進的な宇宙システムで高く評価されています。同社はB-12爆撃機とSentinelプログラムの開発も進めています。さらに、ノースロップ・グラマンはイーロン・マスクのSpaceXと米国偵察衛星システムで協業し、EpiSciと先進的自律能力で提携し、Andøya Spaceとの協働でノルウェーの長期防衛計画を支援しています。
NOC 価格チャート
執筆時点で、ノースロップの株価は504.87ドルで、年初来7.85%上昇しており、時価総額は738.3億ドルです。配当利回りは1.63%です。2024年第2四半期には、売上高が6.7%増の102.2億ドルとなりました。この四半期のフリーキャッシュフローは11.1億ドルを超え、研究開発費は約30億ドル、資本支出は18億ドルでした。ノースロップのEPSは6.36ドルで、予想を7.6%上回りました。
同社は、特に航空事業、兵器システム、先進エレクトロニクス部門で堅実な成長を見込んでいます。来年はキャンセルされたプログラムの影響で宇宙部門がやや低下する見込みですが、その後は成長が再開すると予想されています。固体ロケットエンジン用の過塩素酸アンモニウムの調達におけるサプライチェーン制約を認めつつ、CEOのキャシー・ウォーデンは、空軍と協力してコスト削減に取り組んでいると述べました。
結論
航空宇宙市場は現在約3000億ドル規模です。COVID-19パンデミック時に一時的に減少しましたが、予測されています2028年までに4600億ドルを超えると。 同時に、航空宇宙部品製造市場の収益は、予測されています今 decade の終わりまでに1,2300億ドルを超えると。
業界の成長に伴い、技術革新は急速に進んでいます。電動推進システムによるより効率的な航空機、先進的な複合材料の創出、AIとセンサー技術の進展により完全自律飛行機の実現、そして再生可能資源から得られる持続可能航空燃料（SAF）の研究と採用など、多くのことが進行中です。これらのイノベーションは、航空宇宙の未来を形作るための重大な変化をもたらすでしょう。
