확장 가능한 수소 시스템으로 무배출 비행 실현

모빌리티는 우리 일상 생활의 중요한 부분이며, 항공은 한 장소에서 다른 장소로 빠르게 이동할 수 있게 하는 핵심 요소입니다.

사람과 화물을 몇 시간 안에 수 마일 이동시킴으로써, 항공 산업은 다른 어떤 교통수단보다도 사람들을 연결합니다. 이는 전 세계 경제에 중요한 기여를 하며, 세계 총생산(GDP)의 3.5%를 차지합니다.

이 산업은 전 세계적으로 8,650만 개의 일자리를 지원하며, 전 세계 항공사 산업의 시장 규모는 7,600억 달러를 초과하는 것으로 추정됩니다.

특히, 전 세계 항공사들은 약 95억 명의 승객을 2024년에 운송할 것으로 예상되며, 2019년 수준보다 104% 증가하고 2023년 대비 9% 상승한 수치이며, ACI World에 따르면. 이 성장세는 더욱 가속화될 것으로 예상되며, 전 세계 승객 수는 2042년까지 195억 명에 이를 것으로 전망됩니다.

항공 산업은 확실히 확장하고 있으며, 그 미래는 분명 밝습니다. 그러나 동시에 상당한 수준의 온실가스(GHG) 배출에도 기여하고 있습니다.

항공은 전 세계 배출량 중 비교적 작은 비중인 2.5%를 차지하지만, 2000년부터 2019년 사이에 철도, 도로, 해운보다 더 빠르게 성장했습니다. 코로나19 팬데믹 이후 국제 여행 수요가 증가하면서 항공 배출량은 거의 950Mt CO2에 달했습니다.

항공 배출량은 빠른 속도로 증가할 뿐만 아니라, 탈탄소화가 가장 어려운 분야 중 하나로, 중요한 환경적 과제를 제시합니다.

그 결과, 업계는 현재 운영의 탈탄소화와 2050년까지 자연이 흡수할 수 있는 수준으로 CO2 배출을 줄이는 넷제로 목표 달성에 집중하고 있습니다.

무배출 항공을 위한 수소의 약속 열기

항공이 전 세계 이산화탄소와 운행 흔적(콘트레일) 배출의 상당 부분을 차지함에 따라, 업계의 기후 목표를 달성하기 위해 고급적이고 포괄적인 솔루션을 개발하는 것이 매우 중요해지고 있습니다.

유망한 해결책 중 하나는 우주에서 가장 가볍고 풍부한 화학 원소인 수소이며, 이는 전체 정상 물질의 약 75%를 차지합니다.

이 화학 원소는 청정 연소 덕분에 인기 있고 가치 있는 탈탄소화 도구로 부상했습니다. 연소 시 부산물로 물증기만을 생성하는 청정 연료입니다.

게다가, 물질의 단위 질량당 이용 가능한 에너지인 중량 에너지 밀도 측면에서 수소는 기존 항공 연료인 등유보다 약 2.8배 높습니다. 수소는 알려진 모든 물질 중 가장 높은 중량 에너지 밀도(~120 kJ/g)를 가지고 있습니다. 반면, 등유 기반 제트 연료는 43 MJ/kg의 에너지 밀도를 가집니다.

하지만 수소는 상온에서 밀도가 낮아(0.08 kg/m³) 저장에 큰 어려움을 초래하며, 특히 장거리 비행에 문제가 됩니다.

실용적인 대안은 무색, 무취, 무미의 가스를 20K의 액체 형태로 저장하는 것입니다. 이 형태는 수소의 밀도를 휌퐿퐻2 = 70.8 kg/m³로 증가시켜 항공 적용에 대한 해결책으로 부상했습니다.

기업들은 또한 액체 수소(LH2) 통합의 다양한 측면을 탐구했으며, 여기에는 열 관리, 압력 제어 메커니즘, 절연 전략 및 극저온 탱크 설계가 포함됩니다.

하지만 항공기 설계에 확장 가능한 형태로 LH2 저장, 열 관리 및 전달 제어를 통합하는 전체적인 시스템은 아직 충분히 탐구되지 않았습니다.

따라서 플로리다 A&M 대학교와 플로리다 주립대학의 공동 공학 대학인 FAMU-FSU 공대 연구팀은 항공 산업이 무배출 목표를 실현하도록 돕는 액체 수소 저장 및 전달 시스템을 설계했습니다.

NASA의 지원을 받아, 이 연구는 수소를 청정 연료로 활용함으로써 여러 엔지니어링 과제를 해결하는 확장 가능하고 통합된 시스템을 제시했습니다. 또한 전기 구동 항공기의 핵심 전력 시스템을 위한 내장 냉각 매체로도 사용됩니다.

팀은 액체 수소가 효율적으로 저장되고 안전하게 전달되며, 이착륙 및 순항 단계에서 항공기의 전력 요구를 지원하면서 핵심 온보드 시스템을 냉각하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다.

“우리의 목표는 연료 저장, 냉각 및 전달 제어와 같은 여러 핵심 작업을 처리하는 단일 시스템을 만드는 것이었습니다. 이 설계는 실제 수소 항공 시스템의 기반을 마련합니다.”

수소 하이브리드 전기 항공기: 확장 가능한 추진 솔루션

Applied Energy¹에 게재된 이 연구는 항공 산업의 탄소 및 콘트레일 배출을 감소시키는 과제를 수행하며, 이는 기후 변화의 주요 원인입니다. 통합 무배출 항공(IZEA)을 위해 맞춤화된 액체 수소 저장, 열 관리 및 전달 제어 시스템의 혁신적인 설계를 제안합니다.

IZEA는 상업 항공의 온실가스 배출을 제로로 만들기 위한 학계-산업 협력 프로젝트입니다. 산업 파트너로는 레이시온 테크놀로지스, 보잉, 그리고 어드밴스드 매그넷 랩러토리즈가 포함됩니다.

특히, 이 협력은 연료 전지와 터보전기 발전기를 결합한 하이브리드 전력 생산을 검토하며, 수소를 농축 산소 또는 대기 중 공기와 함께 활용합니다.

IZEA의 목표는 액체 수소를 연료로 활용하면서 무게를 늘리지 않고 효율과 전력을 향상시키는 방법을 찾는 것입니다.

그들은 선정한 FAMU-FSU 공대가 2022년 말에 지속 가능한 항공 시스템 개발을 돕도록, 5년간 1천만 달러 규모의 프로젝트의 일환으로 진행되었습니다.

항공 산업의 유해 배출을 줄이기 위한 국가 에너지 시스템 및 상업 항공기 추진 의제를 달성하기 위해, FAMU-FSU 팀은 켄터키 대학교, 버팔로 대학교, 조지아 공대 연구원 및 산업 파트너와 협력할 예정이며, 이는 IZEA가 2년 반 전에 발표한 내용입니다.

현재, 협력은 전체적인 시스템 부재를 해결하기 위해 미래 항공기를 위한 확장 가능하고 포괄적인 수소 기반 추진 시스템을 구축했습니다.

이 프로젝트는 액체 수소 기반 항공의 단기 실현 가능성을 평가하기 위해 단거리 지역 비행부터 시작합니다. 여기서는 100명의 승객을 수용할 수 있는 블렌디드 윙 바디(Blended Wing Body) 구성의 프로토타입 항공기에 초점을 맞춥니다.

하이브리드 전기 항공기는 수소 연료 전지와 고온 초전도(HTS) 전기 발전기 두 가지에서 전력을 얻으며, 이들은 수소 연료를 사용하는 연소 터빈에 의해 구동됩니다.

연료 전지는 NOx 배출 및 콘트레일을 방지하는 해결책을 제공하므로, 에어버스와 CHEETA와 같은 조직도 연료 전지 기반 항공기를 연구하고 있습니다. 그러나 현재 연료 전지 스택은 매우 부피가 커서 대형 항공기의 다양한 단계, 특히 이착륙 시 전력을 공급하기 어렵습니다. 이 문제에 대한 해결책으로 팀은 이중 전원 소스를 도입했습니다.

연료 전지는 택시 및 순항과 같은 저부하 상황에서 약 6.8 MW의 최대 전력을 제공하도록 사용됩니다. 한편, 수소 터빈 구동 초전도 발전기는 이착륙 시 필요한 추가 전력(9.4 MW)을 공급합니다. 이 조합은 총 전력을 16.2 MW 피크로 끌어올리며, 전력 중복성을 제공해 복원력을 강화합니다.

밀도 문제를 해결하기 위해, 수소는 밀도가 낮아 -253°C의 초저온 액체 형태로 저장되지 않으면 많은 공간을 차지합니다. 연구진은 새로운 중량 지수를 활용해 극저온 탱크와 관련 하위 시스템을 설계했습니다.

이 지수는 연료 질량과 전체 연료 시스템의 비율을 나타내지만, 팀의 지수는 수소 연료, 탱크 구조, 열교환기, 절연재, 작업 유체 및 순환 장치의 질량을 모두 포함합니다.

전체 시스템 질량 대비 최대 연료 질량을 제공하는 구성을 찾기 위해, 연구진은 배기 압력 및 열교환기 크기와 같은 핵심 매개변수를 지속적으로 조정하여 최적안을 도출했습니다.

이상적인 설계는 0.62의 중량 지수를 달성했습니다. 이는 시스템 전체 중량의 62%가 사용 가능한 수소 연료임을 의미하며, 기존 설계에 비해 크게 개선된 것입니다.

열 관리, 즉 시스템의 또 다른 핵심 기능을 위해 연구진은 별도의 냉각 시스템을 설치하지 않고, 극저온 수소를 열교환기를 통해 전달했습니다. 단계적으로 배열된 이 열교환기들은 케이블, 모터, 초전도 발전기 및 전력 전자 장치와 같은 부품에서 발생하는 폐열을 제거합니다. 이 열을 흡수함으로써 수소의 온도가 점진적으로 상승합니다.

비행 중 수소 전달 및 열 관리 최적화

항공기 전체에 액체 수소를 전달하는 데는 자체적인 과제가 있습니다. 예를 들어, 펌프는 추가 무게와 시스템 복잡성을 초래하고, 극저온 조건에서 원치 않는 열을 발생시킬 수 있습니다.

이러한 과제를 극복하기 위해 팀은 탱크 압력을 이용해 수소 연료 흐름을 제어하는 펌프 없는 시스템을 개발했습니다.

압력은 일반 고압 실린더에서 수소 가스를 주입함으로써 상승하고, 수소 증기를 배출함으로써 감소합니다. 실시간 압력 조정을 위해 피드백 루프가 압력 센서를 항공기의 전력 요구와 연결하여 모든 비행 단계에서 정확한 수소 흐름을 보장합니다.

시뮬레이션에 따르면, 이 시스템은 초당 최대 0.25킬로그램의 수소를 전달할 수 있습니다. 이 전달 속도는 이착륙 시 16.2 MW 전력 수요를 충족하거나 비상 상황에서 항공기가 재접근해야 할 경우에도 충분합니다.

열교환기가 순차적으로 배치되어 수소가 시스템을 통과하면서 먼저 케이블 및 HTS 발전기와 같이 극저온에서 작동하는 부품을 냉각합니다. 그 다음에는 모터와 전력 전자 장치와 같은 고온 부품에서 열을 흡수합니다. 마지막으로 수소가 연료 전지에 도달하기 전에 연료 전지 입구의 최적 조건에 맞게 사전 가열됩니다.

이와 같은 단계적 열 통합 덕분에 액체 수소를 연료와 냉각제 두 역할로 사용할 수 있어 시스템 효율을 극대화하고 하드웨어 복잡성을 최소화합니다.

“이전에 사람들은 항공기 내에서 액체 수소를 효과적으로 이동시키는 방법과 전력 시스템 부품을 냉각하는 데에도 사용할 수 있는지 확신하지 못했습니다. 우리는 이것이 가능함을 입증했을 뿐만 아니라, 이러한 설계에는 시스템 수준의 최적화가 필요함을 보여주었습니다.”

– 구오

본 연구의 초점은 설계 최적화와 시스템 시뮬레이션에 있었습니다. 다음 단계에서는 연구진이 실험적 검증을 수행할 예정이며, 이를 위해 팀은 프로토타입 시스템을 구축하고 FSU의 고급 전력 시스템 센터에서 테스트를 진행할 것입니다.

향후 연구에서는 모든 순환 루프에 존재하는 열교환기 설계에 집중할 것이며, 이는 부품에서 작업 유체로 열을 전달합니다. 현재 연구는 이러한 부품의 재료, 크기 및 열 특성에 대한 상세 사양이 부족합니다.

연료 전지 스택을 냉각하고 작동 중 발생하는 상당한 열을 처리하기 위한 혁신적인 열 관리 전략도 중점이 될 것입니다. 연구는 이러한 발전이 전체 열 관리 아키텍처를 정교화하고 무배출 항공 기술의 실용적 구현을 보장하는 데 필수적이라고 강조했습니다.

수소 기반 항공 기술에 투자하기

항공 부문에 투자할 때, RTX는 높은 잠재력을 가진 기회를 제공합니다. 세계 최대의 항공우주 및 방위 기업인 RTX는 IZEA 협력의 핵심 산업 파트너이며, 연료 전지 및 수소 기반 시스템을 포함한 지속 가능한 항공 기술을 목표로 하는 광범위한 R&D 프로그램을 보유하고 있습니다.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX는 세 가지 주요 부문을 통해 운영됩니다:

• Collins Aerospace는 상업 항공사, 민간 및 군용 항공기 제조업체, 그리고 우주 운영을 위한 기술적으로 진보된 항공우주 및 방위 제품을 제공합니다.
• Pratt & Whitney 부문은 군용, 일반 및 상업 고객에게 항공기 엔진을 공급합니다.
• Raytheon은 미사일, 스마트 무기 및 첨단 공중 및 미사일 방어 능력을 개발합니다.

Collins Aerospace와 Pratt & Whitney 부서를 통해 RTX는 수소 기반 항공기 및 관련 기술의 개발 및 테스트에 적극 참여하고 있습니다.

여기에는 항공 산업이 대규모로 수소를 사용할 수 있도록 하는 HySIITE 프로그램이 포함됩니다. DOE의 고등 연구 프로젝트 기관-에너지(ARPA-E)에서 후원한 이 프로젝트는 액체 수소에 최적화되어 있으며 2024년 12월에 마무리됩니다. HySIITE 장비 테스트는 GTF 엔진에 비해 NOx를 99.3% 감소시키고 에너지 효율을 최대 35% 향상시켰습니다.

동시에, 두 개의 다른 프로젝트가 진행 중이며 항공 분야의 수소 미래를 추진하고 있습니다. 캐나다의 산업-정부 공동 이니셔티브인 INSAT이 지원하는 Hydrogen Advanced Engine Study(HyADES)는 터보프롭 항공기에 대한 수소 활용을 진전시키고 있습니다. 한편, EU의 Clean Hydrogen Joint Undertaking이 지원하는 COCOLIH2T는 연료 저장 방식을 개발하고 있습니다.

Raytheon의 시장 성과를 살펴보면, 주가가 크게 상승하고 있습니다. 현재 시점에서 시가총액이 1,836억 4천만 달러인 이 회사의 주가는 137.50달러 이상으로 거래되고 있으며, 이는 사상 최고가(ATH)이며 연초 대비 18.7% 상승을 나타냅니다.

지난 30년 동안 RTX 주식은 지속적인 성장을 보여왔습니다. 4월 저점 이후 약 21% 상승했으며, EPS(TTM)는 3.41, P/E(TTM)는 40.31입니다. Raytheon은 또한 1.98%의 매력적인 배당 수익률을 제공합니다.

회사 재무와 관련하여, 2025년 1분기에 매출이 전년 대비 5% 증가한 203억 달러, 조정 EPS는 1.47달러로 강력한 실적을 보고했습니다. 이 기간 동안 Raytheon의 영업 현금 흐름은 13억 달러, 자유 현금 흐름은 8억 달러였으며, 수주 잔액은 2,170억 달러이며, 여기에는 방위 분야 920억 달러와 상업 분야 1,250억 달러가 포함됩니다.

“우리는 2025년을 강력하게 시작했습니다. 현재 환경은 매우 역동적이지만, 우리 회사는 운영 측면에서 잘 위치해 있으며, 팀은 약속을 이행하고 견고한 수주 잔액을 제공하는 데 집중하고 있습니다.”

– RTX 사장 겸 CEO 크리스 칼리오

2025년 전체에 대해 회사는 조정 매출을 830~840억 달러, 조정 EPS를 6.00~6.15달러, 자유 현금 흐름을 70~75억 달러로 전망하지만, 이러한 추정치는 최근 시행된 관세의 영향을 포함하지 않음을 밝힙니다.

이 모든 가운데, 회사는 이번 주에 미국 해군으로부터 SPY-6 레이더 계열에 대한 5억 3,600만 달러 계약을 수주했으며, 현재 두 척의 함선에 설치되었고 추가로 세 척이 설치 준비 중입니다. 향후 10년 동안 60척 이상의 미국 해군 함선에 레이더가 배치될 예정입니다.

계약의 일환으로 Raytheon은 훈련, 설치, 통합 및 테스트를 통한 지속적인 지원과 레이더 성능을 향상시키는 소프트웨어 업그레이드를 제공할 것입니다.

“SPY-6는 미국 해군 함대에서 가장 진보된 레이더로, 함선에 진화하는 위협에 대한 새로운 수준의 방어를 제공합니다.”

– 바바라 보르고노비, Raytheon 해군 전력 부문 사장.

13번째 AN/TPY-2 미사일 방어 레이더도 미국 미사일 방어청에 인도되었으며, 이는 완전 GaN 기반 어레이를 갖춘 최초의 장비로, 시스템의 감도와 성능을 크게 향상시킵니다.

또한 회사는 AIM-9X 사이드와인더 미사일의 제조 및 납품을 위한 11억 달러 계약을 확보했습니다. 이 수주를 통해 Raytheon은 전 세계적으로 널리 사용되는 단거리 미사일 시스템인 사이드와인더 프로그램에 대한 장기 지원을 지속합니다.

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최신 RTX Corp. (RTX) 주식 뉴스 및 개발

최종 생각: 지속 가능한 항공에서 수소의 역할

항공 부문은 급속히 성장하며 전 세계 경제 및 사회 발전에 기여하고 있지만, 동시에 탄소와 콘트레일 배출 문제를 해결해야 하는 긴급한 필요성을 만들고 있습니다. 여기서 높은 특수 화학 에너지를 가진 수소는 유망한 청정 연료 대안으로 부상했습니다.

이를 염두에 두고, 최신 연구는 액체 수소 저장, 열 관리 및 전달 제어 시스템을 설계하고 최적화하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제시하며, 효율적이고 지속 가능한 항공 기술을 발전시킬 잠재력을 입증합니다.

수소가 기후 변화와 대기 질에 미치는 긍정적인 영향을 활용함으로써, 항공 산업은 이제 탄소 발자국을 줄일 수 있는 실현 가능한 경로를 확보했으며, 장거리 여행이 지구의 대가를 치르지 않는 미래를 열어갑니다.

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참고 연구:

^{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). 통합 무배출 항공(IZEA)을 위한 액체 수소 저장, 열 관리 및 전달 제어 시스템. Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}