Vol.1 重量物の運搬と長距離飛行の実現に向けたドローンの動力源を解説

今後の進化に注目が集まる二次電池

　現在主流となっている電池には、金属中で最もイオン化傾向が大きな素材を用いて大電流を発生するリチウムが使われています。また、リチウムを溶液に溶かしたリチウムイオン電池や、溶液をポリマー樹脂などに含侵させ、溶液の漏洩を防いだリチウムポリマー電池なども使われています。リチウム電池は小型で瞬間的な大電力の供給が可能なため、プロペラの回転数を細かく制御して姿勢制御を行うマルチコプターにとって不可欠な動力源とされてきました。しかし、重量当たりの出力（重量エネルギー密度）が約0.2kW/kgと低く、体積当たりの出力（体積エネルギー密度）も1ℓあたりの容積換算で500W程度と小さく、充電時間が長いという特徴があります。また、これだけ身近で使われているリチウム電池ですが、溶液漏洩による発火事故は避けることができないという理由から、大電力用の電源としては非常に使いにくいという欠点があります。

　これを解決するため、リチウムを溶液ではなく固体に閉じ込める「全固体リチウムイオン電池」が開発され、間もなく実用化されようとしています。これは、金属や樹脂、ガラスなどの固体にイオンを閉じ込めた構造であり、従来のイオン電池に比べ、重量エネルギー密度は2.5倍、充電時間は1/3、寿命は3倍、発火事故が無いという優れた性能を持ちます。固体電池は、当面の間、実用される究極の電池と言われています。自動車業界では世界的に開発競争が進んでいますが、トヨタは世界に先駆けて2028年頃から固体電池搭載のEVを発売すると発表しています。

　全樹脂固体電池を開発しているAPB株式会社も、同時期頃までに全樹脂固体電池の大量生産を開始すると発表しています。金属は一切使わずにすべて樹脂で構成した製造が非常にシンプルであり、形状の自由化が大きいためドローン用にも期待されています。

　一方、ドローン用の小型固体電池はパナソニックとマクセルが2020年代後半に実用化を行うと発表しています。この分野では、EV用及びドローン用において日本が現時点で世界をリードしている状況にあります。

　リチウムイオン電池と全固体リチウムイオン電池の比較を下表にまとめました。

※筆者作成

長時間飛行に適した水素燃料電池

　例年開催されている日本最大のドローン専門の展示会「Japan Drone 2022」において、日本で初めての水素燃料電池を搭載したドローンが発表されました。飛行時間約2時間を目指す試作機ですが、米国では約6時間の飛行を可能としたドローンが発表されています。

　ドローン用の小型な水素燃料電池は英国、米国で製品化が進んでいます。これには、水素ガスを充填する高圧ガスタンクが必要であり、飛行させるには経済産業大臣の特別認可を取得しなければなりません。現在使用されている水素燃料電池は重量エネルギー密度が0.6kW/kg程度と言われており、全固体リチウムイオン電池程度が期待されます。通常のバッテリーを駆動源とするドローンに対して不利な点は、ガスタンクの体積が大きいため、ドローンの構造が大柄となってしまいます。それに比べて小型な全固体リチウムイオン電池が量産されるようになると、長距離飛行や重量物運搬ドローン用としての普及は難しくなると思われます。

長時間飛行と高ペイロードを実現する内燃機関

　ハイブリッドエンジンは動力源となるレシプロエンジン、ロータリーエンジン、ガスタービンエンジンなどに発電機を結合した小型発電機です。電池の限界を超える動力源として期待されており、小型の汎用ガソリンエンジンを使ったハイブリッドエンジンを搭載するドローンが開発されています。

　飛行時間はガソリンタンク容量とペイロードの大きさで決まりますが、これを使えば数kg～10kg程度のペイロードを30分～数時間程度飛行させることが可能です。また、オートバイ用エンジンは汎用エンジンよりも小型かつ高出力であり、125ccのエンジンを使ったハイブリッドエンジンで20kg程度のペイロードを確保した機体が国内外で開発されています。

　次に、ロータリーエンジンはレシプロエンジンに比べ、同一排気量で約2倍の出力を発揮する小型エンジンです。振動が非常に少なく、ガソリンのほか、重油、軽油、SAF（バイオ燃料）、水素ガスといった多様な燃料が使用できるという特長があります。一方、設計と製造が難しく、日本、ドイツ、オーストリア、英国などの限られたメーカーしか製造していません。オーストリアのSchiebel社は、2000年初頭から自社開発のロータリーエンジンを搭載し、数kgを積載して数時間の飛行を可能にしたドローンヘリを製造しており、沿岸警備用などで多くの国が採用しています。このほかには、機械的動力としてエンジンを使用している例として、ドイツのドローンエンジン専門メーカーが最大出力28kWのロータリーエンジン駆動ハイブリッドエンジンの製造を開始しました。水冷または油冷式であり、冷却装置を除けば重量エネルギー密度は約4kW/kgであり、リチウムイオン電池の約20倍の性能となる軽量かつ高出力なハイブリッドエンジンです。

　現在、ペイロードが10kg～30kg程度の機体にはレシプロエンジンもしくは、ロータリーエンジンが搭載されています。これらのエンジンの回転数は、最大でも1万数千回転が機械的限度とされており、定常運転では3,000～7,000rpmで使用されます。そのため、発電機の小型化には限度があり、高出力になればなるほど重量エネルギー密度が低下してきます。発電機は磁石とコイルで構成されており、重量物であるため、ハイブリッドエンジンの小型化が課題となります。そこで、高回転の特性によってこの課題を解決できるのがガスタービンなのです。ガスタービンは、50,000～100,000rpmでの定常運転が可能であり、発電機を数分の一に小型化できます。また、タービンエンジンは液体水素を使用できるため、これを燃料だけではなく冷却剤として使えば超電導発電機となる可能性もあり、今後さらなる小型化と高出力を実現できるのです。

　現在、エアモビリティ用のガスタービンハイブリッドエンジンを開発している国内企業としては、ADJ社が出力と小型化の観点で世界トップレベルであり、重量エネルギー密度1.0kW/kgを実現しています。なお、出力40kWのエンジンを搭載した大型ドローンの開発も進んでいます。ADJ社のエンジンは、定格90,000rpmで発電機はガスタービンの回転軸に内蔵され、エンジンと発電機が一体化した設計となっており、世界初の技術になります。一体設計のためスケーラブルであり、500kWまでの拡張が可能と発表されています。出力500kWとすれば、ペイロード500kgの機体設計が可能であり、5人乗りのエアモビリティにも適用できる出力となるのです。

　以上述べた現存の各種動力を比較したものを以下にまとめます。

※筆者作成