확장 가능한 수소 시스템으로 배출가스 없는 비행 가능

이동성은 우리 일상생활에 있어서 매우 중요한 부분이며, 항공은 빠른 속도로 한 장소에서 다른 장소로 이동할 수 있는 능력의 핵심 요소입니다.

항공 산업은 사람과 물품이 몇 시간 만에 수 마일을 이동할 수 있도록 함으로써 다른 어떤 교통수단보다도 사람들을 연결합니다. 항공 산업은 세계 국내총생산(GDP)의 3.5%를 차지하며 세계 경제에 크게 기여하고 있습니다. 

항공 산업은 전 세계적으로 총 86.5만 개의 일자리를 지원하고 있으며, 글로벌 항공 산업의 시장 규모는 약 760억 달러를 넘는 것으로 추산됩니다.

특히 전 세계 항공사는 다음을 수행할 것으로 예상됩니다. 대략 9.5억 명의 승객 2024년에는 104년 수준 대비 2019% 증가, 9% 상승을 나타냅니다. ACI World에 따르면 2023년부터 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 더욱 가속화될 것으로 예상되며, 19.5년까지 전 세계 여객 교통량은 2042억 명에 이를 것으로 예상됩니다.

항공 산업은 분명히 확장되고 있으며, 그 미래는 매우 밝습니다. 하지만 항공 산업은 또한 온실 가스(GHG) 배출 상당한 정도로.

항공은 전 세계 배출량에서 비교적 작은 비중을 차지하지만 2.5%2000년부터 2019년 사이에 철도, 도로 또는 해운보다 더 빠르게 성장했습니다. 코로나19 팬데믹 이후 국제 여행에 대한 수요가 증가하면서 항공 배출량은 실제로 약 950Mt CO2에 달했습니다.

항공 배출량은 빠른 속도로 증가하고 있을 뿐만 아니라, 탈탄소화가 가장 어려운 부문 중 하나이기 때문에 중대한 환경적 과제를 안고 있습니다.

결과적으로 현재 업계의 초점은 운영의 탈탄소화와 탄소 중립 목표 달성에 맞춰져 있습니다. CO2 배출량 감소 2050년까지 자연이 흡수할 수 있는 수준으로 낮추겠습니다.

배출가스 없는 항공을 위한 수소의 약속 실현

항공업이 전 세계 이산화탄소와 비행운 배출에 상당한 부분을 차지하기 때문에, 업계의 기후 목표를 충족하기 위해 첨단적이고 포괄적인 솔루션을 개발하는 것이 매우 중요해지고 있습니다. 

유망한 솔루션 중 하나는 수소, 가장 가볍고 풍부한 화학 원소 우주에는 일반 물질의 약 75%가 들어 있습니다.

이 화학 원소는 깨끗한 연소 덕분에 인기 있고 귀중한 탈탄소화 도구로 부상했습니다. 연소 시 부산물로 수증기만 생성되므로 청정 연료입니다.

더욱이, 수소의 중량 에너지 밀도, 즉 물질의 단위 질량당 가용 에너지는 기존 항공유인 등유보다 약 2.8배 높습니다. 수소는 실제로 알려진 모든 물질 중 가장 높은 중량 에너지 밀도를 가지고 있으며, 약 120kJ/g입니다. 반면, 등유 기반 제트 연료의 에너지 밀도는 43MJ/kg입니다.

그러나 수소는 상온에서 밀도가 0.08 kg/m³로 매우 낮습니다. 이는 특히 장거리 항공편의 경우 보관에 큰 어려움을 초래합니다.

이에 대한 실용적인 대안은 무색, 무취, 무미의 기체를 20K에서 액체 형태로 저장하는 것입니다. 이 형태는 수소의 밀도를 𝜌𝐿𝐻2 = 70.8 kg/m³로 증가시켜 항공 응용 분야의 솔루션으로 떠올랐습니다.

기업들은 항공기에 액체수소(LH2)를 통합하는 데 있어 열 관리, 압력 제어 메커니즘, 단열 전략, 극저온 탱크 설계 등 다양한 측면을 탐구해 왔습니다.

그러나 LH2 저장, 열 관리, 전달 제어를 항공기 설계에 맞게 확장 가능한 형태로 통합하는 전체적인 시스템은 아직 충분히 연구되지 않았습니다.

그래서 플로리다 A&M 대학과 플로리다 주립 대학의 공동 공과대학인 FAMU-FSU 공과대학의 연구진은 항공 산업이 탄소 제로 목표를 실현하는 데 도움이 되는 액체 수소 저장 및 배송 시스템을 설계했습니다.  

NASA의 지원을 받아 진행된 이 연구는 수소를 청정 연료로 사용함으로써 여러 엔지니어링 과제를 해결하는 확장 가능하고 통합된 시스템을 제시했습니다. 수소는 또한 전기 항공기의 핵심 전력 시스템에 내장된 냉각 매체로도 사용됩니다. 

연구팀은 액체 수소를 효율적으로 저장하고, 안전하게 운반하고, 이륙, 순항, 착륙 단계에서 항공기의 전력 수요를 충족시키는 동시에 중요한 기내 시스템을 냉각하는 데 사용할 수 있음을 보여주었습니다.

이 연구의 책임 저자이자 기계공학과 교수인 웨이 궈(Wei Guo)에 따르면,

"저희의 목표는 연료 저장, 냉각, 그리고 공급 제어 등 여러 가지 중요한 작업을 처리하는 단일 시스템을 만드는 것이었습니다. 이 설계는 실제 수소 항공 시스템의 기반을 마련합니다."

수소 하이브리드 전기 항공기: 확장 가능한 추진 솔루션

에 게시됨 응용 에너지¹이 연구는 기후 변화의 주요 원인인 항공 산업의 탄소 및 비행운 배출을 줄이는 과제를 수행하며, 액체 수소를 저장하고, 열 관리하고, 전달을 제어하는 ​​시스템에 대한 혁신적인 설계를 제안합니다. 이 설계는 통합 제로 배출 항공(IZEA)에 맞춤화되어 있습니다. 

IZEA는 상업 항공에서 온실가스 배출량 제로를 달성하기 위한 산학 협력 프로그램입니다. 레이시온 테크놀로지스, 보잉, 어드밴스드 마그넷 연구소 등이 산업 파트너로 참여하고 있습니다.

특히 이 협업은 수소와 농축 산소 또는 주변 공기를 활용하여 연료 전지와 터보 전기 발전기를 조합하여 하이브리드 전력 생산을 조사합니다.

IZEA의 목표는 액체 수소를 연료로 사용하는 방법을 알아내고 무게를 늘리지 않고도 효율성과 출력을 높이는 것입니다.

그들 선택된 FAMU-FSU 공과대학은 2022년, 10만 달러 규모의 프로젝트의 일환으로 XNUMX년 후반에 지속 가능한 항공 시스템을 개발하는 데 도움을 줄 예정입니다.

항공 산업의 유해한 배출물을 줄이기 위한 에너지 시스템 및 상업용 항공기 추진에 대한 국가적 의제를 이행하기 위해 FAMU-FSU 팀은 2년 반 전에 IZEA에서 발표한 바와 같이 켄터키 대학, 버팔로 대학, 조지아 공과대학 및 산업 파트너의 연구자들과 협력할 예정입니다.

이제 이 협업을 통해 미래 항공기를 위한 확장 가능하고 포괄적인 수소 기반 추진 시스템을 구축하여 전체적인 시스템의 부족 문제를 해결했습니다. 

이 프로젝트는 액체수소 항공의 단기적 타당성을 평가하기 위해 단거리 지역 비행으로 시작됩니다. 본 프로젝트는 100명의 승객을 태울 수 있는 혼합형 날개 동체 구조를 갖춘 시제 항공기에 중점을 두고 있습니다.

하이브리드 전기 항공기는 수소 연료 전지와 고온 초전도(HTS) 발전기에서 전력을 얻습니다. 이 발전기는 수소 연료로 작동하는 연소 터빈에 의해 구동됩니다. 

연료전지는 질소산화물(NOx) 배출과 비행운을 방지하는 해결책을 제시하기 때문에 에어버스나 CHEETA와 같은 기업들도 연료전지로 구동되는 항공기를 연구하고 있습니다. 그러나 현재 연료전지 스택의 문제점은 매우 부피가 커서 대형 항공기의 여러 단계, 특히 이륙 시에 동력을 공급하기 어렵다는 것입니다.  이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 이중 전원 공급 장치를 도입했습니다. 

연료전지는 지상 주행 및 순항과 같은 저부하 조건에서 최대 약 6.8MW의 출력을 발휘합니다. 한편, 수소 터빈 구동 초전도 발전기는 이륙 시 필요한 추가 전력(9.4MW)을 공급합니다. 이러한 조합을 통해 총 최대 전력은 16.2MW에 달하며, 전력 이중화를 통해 복원력을 향상시킵니다.

밀도 문제를 해결하기 위해 수소는 밀도가 낮아 -253°C의 초저온 액체로 저장하지 않으면 많은 공간을 차지합니다. 연구진은 새로운 중량 지수를 사용하여 극저온 탱크와 관련 하위 시스템을 설계했습니다.

지수는 연료 질량을 전체 연료 시스템에 대한 비율이지만, 팀의 지수에는 수소 연료 질량, 탱크 구조, 열교환기, 단열재, 작동 유체 및 순환 장치가 포함됩니다.

연구진은 전체 시스템 질량에 비해 최대 연료 질량을 제공하는 구성을 찾기 위해 배출 압력과 열교환기 크기와 같은 주요 매개변수를 계속 조정하여 최적의 구성을 찾았습니다.

이상적인 레이아웃은 0.62의 중량 지수를 달성했습니다. 이는 시스템 전체 중량의 62%가 사용 가능한 수소 연료임을 의미하며, 기존 설계에 비해 상당한 개선을 나타냅니다.

시스템의 또 다른 핵심 기능인 열 관리를 위해 연구진은 별도의 냉각 시스템을 설치하지 않고 극저온 수소를 열교환기를 통해 전달했습니다. 단계적으로 배열된 이 열교환기는 케이블, 모터, 초전도 발전기, 전력 전자 장치와 같은 부품에서 발생하는 열을 제거합니다. 이 열을 흡수하면 수소의 온도가 점차 상승합니다.

비행 중 수소 공급 및 열 관리 최적화

항공기 전체에 액체 수소를 공급하는 데에는 고유한 어려움이 따릅니다. 예를 들어, 펌프는 무게 증가뿐만 아니라 시스템 복잡성을 증가시키고, 극저온 조건에서 원치 않는 열을 발생시킬 수 있습니다. 

이러한 과제를 극복하기 위해 연구팀은 탱크 압력을 활용해 수소 연료의 흐름을 제어하는 ​​펌프 없는 시스템을 개발했습니다. 

압력은 일반 고압 실린더에서 수소 가스를 주입하여 높이고, 수소 증기를 배출하여 낮춥니다. 실시간 압력 조절을 위해 피드백 루프가 압력 센서를 항공기의 전력 수요에 연결하여 모든 비행 단계에서 정확한 수소 유량을 보장합니다. 

시뮬레이션에 따르면 이 시스템은 초당 최대 0.25kg의 속도로 수소를 공급할 수 있습니다. 이 속도는 이륙 시 또는 항공기가 회항해야 하는 비상 상황에서 16.2MW의 전력 수요를 충족하기에 충분합니다.

열 교환이 순차적으로 이루어지면서 수소는 시스템을 통과하면서 먼저 케이블이나 HTS 발전기처럼 극저온에서 작동하는 구성 요소를 냉각합니다. 그런 다음 모터나 전력 전자 장치처럼 고온 구성 요소에서 열을 흡수합니다. 마지막으로 수소는 연료 전지에 도달하기 전에 연료 전지 입구의 최적 조건에 맞춰 예열됩니다.

이러한 단계적 열 통합을 통해 액체 수소를 연료와 냉각수로 모두 사용할 수 있으며, 이를 통해 하드웨어의 복잡성을 최소화하면서 시스템 효율성을 극대화할 수 있습니다.

"이전에는 항공기에서 액체 수소를 효과적으로 이동하는 방법과 이를 전력 시스템 구성 요소 냉각에도 사용할 수 있는지에 대해 확신하지 못했습니다. 저희는 이것이 가능하다는 것을 보여주었을 뿐만 아니라, 이러한 유형의 설계에는 시스템 수준의 최적화가 필요하다는 것도 입증했습니다."

- 구오

본 연구의 초점은 설계 최적화와 시스템 시뮬레이션에 맞춰져 있습니다. 다음 단계에서는 실험적 검증을 수행할 예정입니다. 이를 위해 연구팀은 프로토타입 시스템을 구축한 후 FSU 첨단 전력 시스템 센터에서 시험을 진행할 예정입니다.

향후 연구에서 연구진은 모든 순환 루프에 존재하며 구성 요소에서 작동 유체로 열을 전달하는 열교환기의 설계에도 집중할 예정입니다. 현재 연구에서는 이러한 구성 요소의 재질, 크기 및 열적 특성에 대한 세부적인 사양이 부족합니다.

연료 전지 스택을 냉각하고 작동 중 발생하는 상당한 열 발생을 해결하기 위한 혁신적인 열 관리 전략 또한 중점적으로 다루어질 것입니다. 본 연구는 이러한 발전이 전반적인 열 관리 아키텍처를 개선하고 무공해 항공 기술의 실질적인 구현을 보장하는 데 필수적이라고 강조했습니다.

수소 연료 항공 기술에 투자

항공 부문에 투자할 때, RTX 확장 (RTX )높은 잠재력을 가진 기회를 제공합니다. 세계 최대 규모의 항공우주 및 방위 기업인 에티하드 항공(Ethiopard Airlines)은 IZEA 협력의 핵심 산업 파트너입니다. 또한 연료 전지 및 수소 구동 시스템을 포함한 지속 가능한 항공 기술을 목표로 하는 광범위한 R&D 프로그램을 운영하고 있습니다.

RTX 주식회사. (RTX ) 

RTX는 세 가지 주요 부문을 통해 운영됩니다.

• 콜린스 에어로스페이스는 상업 항공사, 민간 및 군용 항공기 제조업체, 우주 운영업체에 기술적으로 진보된 항공우주 및 방위 제품을 제공합니다.
• 프랫앤휘트니 부문은 군, 일반 및 상업 고객에게 항공기 엔진을 공급합니다.
• 레이시온은 미사일, 스마트 무기, 첨단 방공 및 미사일 방어 역량을 개발합니다.

RTX는 Collins Aerospace와 Pratt & Whitney 사업부를 통해 수소 연료 항공기 및 관련 기술의 개발과 테스트에 적극적으로 참여하고 있습니다.

여기에는 항공 산업이 수소를 대규모로 사용할 수 있도록 지원하는 HySIITE 프로그램이 포함됩니다. 미국 에너지부(DOE) 산하 고등연구계획국(ARPA)-에너지의 지원을 받는 이 프로젝트는 액체 수소에 최적화되어 있으며 2024년 99.3월에 완료될 예정입니다. HySIITE 리그 테스트 결과, GTF 엔진 대비 NOx가 35% 감소했고 에너지 효율은 최대 XNUMX% 향상되었습니다.

한편, 항공 분야에서 수소의 미래를 선도하기 위한 다른 두 프로젝트가 진행 중입니다. 캐나다 산업-정부 합동 이니셔티브인 INSAT의 지원을 받는 수소 첨단 엔진 연구(HyADES)는 터보프롭 항공기의 수소 활용을 발전시키는 데 주력하고 있습니다. 한편, EU의 청정 수소 공동 사업(Clean Hydrogen Joint Undertaking)의 지원을 받는 COCOLIH2T는 연료 저장 방법을 개발하고 있습니다.

레이시온의 시장 실적을 살펴보면, 주가는 고공행진을 이어가고 있습니다. 이 글을 쓰는 시점 기준 시가총액 183.64억 137.50천만 달러인 레이시온의 주가는 18.7달러를 상회하며 사상 최고치를 경신했으며, 연초 대비 XNUMX% 상승했습니다.

RTX 주가는 지난 21년 동안 꾸준히 상승해 왔습니다. 3.41월 저점 이후 약 40.31% 상승했습니다. 이에 따라 주당순이익(EPS)(TTM)은 1.98, 주가수익비율(P/E)(TTM)은 XNUMX입니다. 레이시온은 또한 XNUMX%의 매력적인 배당수익률을 제공합니다.

회사 재무에 관해서는 신고 2025년 5분기 매출은 전년 대비 20.3% 증가한 1.47억 달러, 조정 주당순이익(EPS)은 1.3달러로 견조한 실적을 기록했습니다. 이 기간 동안 레이시온의 영업현금흐름은 0.8억 달러, 잉여현금흐름은 217억 달러였으며, 수주잔고는 92억 달러로, 이 중 125억 달러는 방산, XNUMX억 달러는 상업 부문에 투자되었습니다.

"우리는 2025년을 강력하게 시작할 것입니다. 현재 환경은 분명히 매우 역동적이지만, 우리 회사는 운영 측면에서 좋은 성과를 낼 수 있는 위치에 있으며, 우리 팀은 약속을 이행하고 탄탄한 백로그를 제공하는 데 계속 집중할 것입니다."

– RTX 사장 겸 CEO Chris Calio

이 회사는 2025년 전체에 대해 조정된 매출을 83억~84.0억 달러, 조정된 EPS를 6.00~6.15달러, 자유 현금 흐름을 7억~7.5억 달러로 예상하고 있지만, 이러한 추정치에는 최근 제정된 관세의 영향이 반영되지 않았다고 밝혔습니다.

이 모든 와중에, 이 회사는 이번 주 미 해군으로부터 SPY-536 레이더 제품군에 대한 6억 60만 달러 규모의 계약을 체결했습니다. 이 레이더는 현재 해군 함정 두 척에 설치되어 있으며, 세 척이 추가로 설치될 예정입니다. 향후 XNUMX년 동안 레이더는 미 해군 함정 XNUMX척 이상에 배치될 예정입니다.

계약의 일환으로 레이시온은 레이더 기능을 강화하기 위한 소프트웨어 업그레이드 외에도 교육, 설치, 통합 및 테스트를 통해 지속적인 지원을 제공할 예정입니다.

"SPY-6는 미 해군 함대의 가장 진보된 레이더로, 진화하는 위협에 맞서 함선에 새로운 차원의 방어력을 제공합니다."

– Naval Power의 사장인 Barbara Borgonovi Raytheon.

13번째 AN/TPY-2 미사일 방어 레이더도 미국 미사일 방어국에 인도되었습니다. 이는 완전한 GaN 기반 어레이를 갖춘 최초의 장치로, 시스템의 감도와 성능을 크게 향상시킵니다.

레이시온은 AIM-1.1X 사이드와인더 미사일의 제조 및 납품을 위한 9억 달러 규모의 계약도 체결했습니다. 이번 계약을 통해 레이시온은 전 세계적으로 널리 사용되는 단거리 미사일 시스템인 사이드와인더 프로그램에 대한 장기적인 지원을 이어갈 수 있게 되었습니다.

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최신 RTX Corp.(RTX) 주식 뉴스 및 동향

마무리 생각: 지속 가능한 항공에서 수소의 역할

항공 산업은 빠르게 성장하며 세계 경제 및 사회 발전에 기여하고 있지만, 동시에 탄소 및 비행운 배출 문제 해결에 대한 절실한 필요성을 제기하고 있습니다. 이러한 상황에서 높은 비화학 에너지를 지닌 수소는 유망한 청정 연료 대안으로 부상했습니다.

이를 염두에 두고, 최신 연구에서는 액체수소 저장, 열 관리 및 전달 제어 시스템을 설계하고 최적화하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제시하여 효율적이고 지속 가능한 항공 기술을 발전시킬 수 있는 잠재력을 보여줍니다.

수소가 기후 변화와 대기 질에 미치는 긍정적 영향을 활용함으로써 항공 산업은 이제 탄소 발자국을 줄일 수 있는 실행 가능한 경로를 확보했으며, 장거리 여행이 더 이상 지구를 희생하지 않는 미래로 가는 길을 열었습니다.

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참고 연구:

^{1. Virdi, PS, Guo, W., Cattafesta, LN III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, JC, He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). 통합 무공해 항공(IZEA)을 위한 액체수소 저장, 열 관리 및 전달 제어 시스템. Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}