친환경 ‘하이브리드 비행기’ 시대 열릴까…장시간 비행에 성공 [고든 정의 TECH+]

자동차와 달리 선박이나 항공기는 전동화가 쉽지 않습니다. 자주 충전할 수 있고 배터리 용량이 상대적으로 작은 자동차와 달리 대형 선박이나 항공기는 일단 중간 충전이 어렵고 배터리 용량이 매우 커지기 때문에 장거리 항해나 비행이 어려워집니다. 그나마 많은 배터리를 탑재할 공간이 되는 대형 선박은 여유가 있지만, 항공기는 무게에 매우 민감하므로 배터리만 사용하는 순수 전기 항공기는 소형 드론이나 초경량 항공기가 아닌 이상 상용화에 한계가 있습니다.

그래서 대안으로 개발 중인 것이 바로 전기 하이브리드 항공기입니다. 전기·내연기관 하이브리드는 이미 자동차에서 널리 사용되고 있지만, 항공기용 하이브리드 엔진은 자동차와 다소 개념이 다릅니다. 하이브리드 자동차는 가까운 거리는 전기차처럼 사용하고 장거리 주행 시 내연기관을 사용하는 개념이라면 항공기용 하이브리드 엔진은 항공기가 많은 연료를 소모하는 이륙 시 추가 동력을 제공하는 개념입니다.

중소형 항공기에 흔히 사용하는 터보프롭 엔진을 기준으로 설명하면 이륙할 때 큰 힘을 내기 위해 실제 순항 비행 시 필요한 것보다 더 강력한 엔진을 탑재하게 되는데, 이로 인해 효율이 떨어지게 됩니다. 하지만 하이브리드 모터로 이륙 출력을 보완하면 더 작고 효율적인 엔진을 탑재할 수 있어 연료 소모와 탄소 배출을 줄이면서 빠르게 목표 고도에 도달할 수 있습니다.

다만 항공기용 고전압 하이브리드 시스템은 저기압과 극심한 온도 변화가 존재하는 고고도 환경에서 안정적으로 작동해야 하므로 가볍고 높은 신뢰성을 갖춰야 합니다. 이를 위해 미국 NASA와 GE 에어로스페이스, 베타 테크놀로지스, 보잉 등은 오랜 기간 메가와트(MW)급 하이브리드 엔진 개발에 공을 들여왔습니다.

최근 이 연구팀은 중형 터보프롭 항공기인 사브 340B의 우측 엔진을 개조한 하이브리드 시제기로 미국 영공에서 2시간 이상 안정적인 하이브리드 비행을 마쳤습니다. 특히 실제 상용 여객기들의 순항 고도인 3만 피트(약 9144m) 이상에 도달하여 하이브리드 항공기 기준 최고 고도 비행 기록을 세웠습니다. 이후 이 시제기는 대서양을 건너 영국의 ‘판보러 국제 에어쇼’ 현장에 도착해 성공적인 시연 비행을 선보였습니다.

참고로 사브 340B는 길이 19.73m, 날개 너비 21.44m, 높이 6.97m에 최대 34명의 승객을 태울 수 있는 중형 터보프롭 항공기로 최대 이륙 중량이 1만 3154㎏에 달합니다. 순항 속도 시속 524㎞, 비행거리 1350㎞ 정도의 성능을 지니고 있습니다.

연구팀에 따르면 이는 15년에 걸친 오랜 연구의 결과입니다. 특히 하이브리드 엔진 시스템을 검증하기 위해 미국 항공우주국(NASA)과 GE 에어로스페이스의 엔지니어들은 2022년부터 오하이오주 샌더스키에 있는 NASA 닐 A. 암스트롱 시험 시설 내 전기 항공기 시험대에서 통합 버전을 테스트했습니다. 실험실 환경에서 이 엔진은 4만 5000피트(약 1만 3700m) 고도 환경에서도 작동했습니다.

연구팀은 이번 테스트에서 하이브리드 항공기가 기존의 터보프롭 항공기와 동일하게 비행할 수 있다는 점을 가장 높이 평가했습니다. 다만 비행 성능이 비슷해도 가격이 더 비쌀 수밖에 없어 경제성을 확보할 수 있을지가 관건이 될 것입니다. 기존의 항공기와 비슷하게 비행하면서 이산화탄소 배출량은 크게 줄인 하이브리드 항공기가 새로운 대세가 될 수 있을지 주목됩니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com