このMITのチームは、モーターの主要部品を設計・テストし、詳細な計算によって、現在の小型航空エンジンに匹敵する重量とサイズで、連結された部品が全体として1メガワットの電力を発生できることを示した。
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航空業界の膨大な二酸化炭素排出量は、電動化によって大幅に削減される可能性がある。しかし、現在では、小型の電気飛行機しか実用化されていない。電気モーターは数百キロワットの電力を発生させる。民間旅客機のような大型で重い飛行機を電動化するには、メガワット級のモーターが必要だという。そのためには、電気機械とガスタービン航空エンジンを組み合わせたハイブリッド推進システムやターボ電気推進システムが必要とされる。
このニーズに応えるため、MITのエンジニアチームは、大型航空機の電動化に向けた重要な足がかりとなる1メガワットのモーターを製作している。
研究チームは、モーターをバッテリーや燃料電池などの電力供給源と組み合わせて、電気自動車に応用することを想定している。モーターが電気エネルギーを機械的な働きに変えて、飛行機のプロペラに動力を与えられる。また、この電気機械は、従来のターボファンジェットエンジンと組み合わせて、ハイブリッド推進システムとして稼働させ、飛行中の特定の段階で電気推進力を提供可能だ。
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プロジェクトを率いるMITのT・ウィルソン航空学教授でガスタービン研究所（GTL）の所長、ゾルタン・スパコフスキー氏は次のようにコメントしている。
スパコフスキー氏：バッテリー、水素、アンモニア、持続可能な航空燃料など、どのようなエネルギーキャリアを使うにしても、メガワット級のモーターは、航空機のグリーン化を実現する重要な要素になるでしょう。
スパコフスキー氏と彼のチームのメンバーは、産業界の協力者とともに、6月に開催される航空会議での米国航空宇宙学会 電気航空機技術シンポジウム（EATS）の特別セッションで研究成果を発表する予定。
MITチームは、GTLとMIT電磁・電子システム研究所の教員、学生、研究スタッフで構成されている。このプロジェクトは、三菱重工業（MHI）がスポンサーとなっている。
人為的な気候変動による最悪の影響を防ぐために、科学者たちは2050年までに世界の二酸化炭素排出量を正味ゼロにする必要があると判断している。スパコフスキー氏によると、この目標を達成するためには、従来とは異なる航空機の設計、スマートで柔軟な燃料システム、先進的な素材、安全で効率的な電動推進装置など、「一歩進んだ成果」が必要になるという。複数の航空宇宙企業が、電動推進装置と、旅客機の推進に十分なパワーと軽さを備えたメガワット規模の電気機械の設計に注力している。
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スパコフスキー氏：これを実現するための銀の弾丸はなく、悪魔は細部に宿る。個々の部品を最適化し、互いに互換性を持たせながら、全体の性能を最大限に引き出すという点で、これは難しいエンジニアリングです。そのためには、材料、製造、熱管理、構造、回転力学、パワーエレクトロニクスの各分野で、限界に挑戦する必要があります。
大雑把に言えば、電気モーターは電磁力を利用して運動を発生させるものだ。ノートパソコンのファンを動かすような電気モーターは、バッテリーや電源からの電気エネルギーを使って、一般的には銅コイルを通して磁場を発生させる。その結果、コイルの近くに設置された磁石が磁場の方向に回転し、ファンやプロペラを駆動させることができる。
電気機械は150年以上前から存在しているが、家電製品や自動車が大きくなればなるほど、銅のコイルや磁石のローターが大きくなり、機械が重くなることが分かる。電気機械が発電すればするほど熱が発生し、部品を冷やすための追加要素が必要になる。これらすべてが場所を取り、システムに大きな重量を加えるため、航空機への応用は困難だという。
スパコフスキー氏：重いものは飛行機に乗せられません。だから、コンパクトで軽量、かつパワフルなアーキテクチャを考えなければならなかったのです。
MITの電気モーターとパワーエレクトロニクスは、設計通り、それぞれ大人一人分の重さにも満たないスーツケースほどの大きさだ。
モーターの主な構成要素は、極性の向きが異なる磁石を並べた高速ローター、ローターの内側に収まるコンパクトな低損失ステーター、複雑な銅巻きの配列、機械のトルクを伝えながら部品を冷やす高度な熱交換器、ステーターの各銅巻きを流れる電流を高周波で正確に変える、30枚の特注回路基板でできた分散パワーエレクトロニクス・システムだ。
スパコフスキー氏：これは、真に共同最適化された最初の統合設計だと思います。つまり、熱管理からローターダイナミクス、パワーエレクトロニクス、電気機械構造まで、すべての考慮事項を統合的に評価し、1メガワットで必要な比電力を得るための最良の組み合わせを見つけ出す、非常に広範な設計空間の探索を行ったのです。
システム全体として、モーターは、分散型回路基板が電気機械と密接に結合するように設計されており、伝送損失を最小限に抑え、統合された熱交換器による効果的な空冷を可能にしているという。
スパコフスキー氏：トルクを発生させながら回転させるためには、磁界を高速で移動させる必要がありますが、これは高周波でスイッチングする回路基板によって実現されています。
リスクを軽減するため、研究チームは主要なコンポーネントを個別に製作・テストし、設計通りに動作すること、通常の運用を超える条件下でも動作することを確認した。研究チームは、完全に動作する最初の電気モーターを組み立て、秋にテストを開始する予定。
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のサステイナブル・アビエーション・センターのディレクターであるフィリップ・アンセル氏は、次のようにコメントしている。
アンセル氏：航空機の電動化は着実に進んでいます。このグループの設計では、電気機械開発の従来手法と最先端手法を見事に組み合わせており、将来の航空機の実用的なニーズを満たす堅牢性と効率性の両方を提供することができます。
MITのチームが電気モーターを全体として実証できれば、この設計は地域航空機の動力源となり、また、従来のジェットエンジンの仲間となって、ハイブリッド電気推進システムを実現することができるとしている。また、将来的には、1メガワットのモーターを複数個使って、翼に沿って分散配置された複数のファンを駆動することも想定。将来的には、1メガワットの電気機械設計の基礎を、数メガワットのモーターにスケールアップして、より大きな旅客機の動力源にできる可能性があるという。
スパコフスキー氏：私たちのグループと研究は、ガスタービンにとどまらず、さまざまな分野に及んでいます。電気工学の教員、スタッフ、学生とともにこの目標に取り組むことで、MITの幅広い技術を活用することができ、全体が部分の総和よりも大きくなるのです。つまり、私たちは新しい分野で自分自身を改革しているのです。そして、MITはそのための機会を与えてくれるのです。
