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ⓒ클립아트코리아

비행기는 '항공유'를 연료로 사용합니다. 항공유는 항공기에 동력을 공급해주는 특수유형의 석유 기반 연료로, 비행기 이륙 전에 원료가 증발하는 것을 방지하기 위해 휘발성이 낮은 ‘등유’에 특수 첨가물을 넣어 제조합니다. 많은 짐과 승객을 옮기는 대형 비행기의 많은 양의 항공유를 필요로 하는데요. 김포공항에서 제주공항으로 갈 경우의 연료 소요량은 약 20,900파운드(약 13,000리터) 즉, 군용 드럼(배럴이라고 불리며 1개당 약 208리터) 62개에 해당하는 양이 소요됩니다.

 

최근 항공업계에서도 '친환경'이 화두로 떠오르면서 항공유를 대체할 친환경 연료에 대한 개발에 힘쓰고 있습니다. 온실가스를 덜 배출하고 연료효율이 높은 친환경 항공기 자세히 알아볼까요?

 

수소 비행기의 시대

지난 2016년 독일에서 4인승 수소연료 비행기 ‘HY4’의 시험 운항을 성공적으로 마쳤습니다. 이후 수소 비행기의 연구가 계속되면서 2020년, 유럽 최대 항공기 제작사인 에어버스가 6인승 수소연료 비행기 운항에 성공했습니다. 이륙, 비행, 착륙 등 비행기의 기능을 모두 수행하며 최대 시속 140km로 운항했죠. 에어버스에서 선보인 수소 비행기는 총 3가지 종류입니다.

 

터보팬 항공기 / 터보프롭 항공기 / BWB(혼합 윙 바디) 항공기 ⓒ에어버스 홈페이지

 

첫 번째 유형인 터보팬 항공기는 2개의 하이브리드 수소 터보팬 엔진을 활용합니다. 터보팬이란, 배기가스와 팬에 의해 함축된 공기로 힘을 얻는 고온 고압 엔진입니다. 터보팬 항공기에서는 수소 터보팬 엔진이 추진력을 제공하고 액체 수소 저장 및 분배 시스템을 항공기 뒤쪽에 배치해 운항합니다.

 

두 번째 유형인 터보프롭 항공기는 터보팬 항공기와 유사합니다. 액체 수소 저장 및 분배 시스템을 항공기 뒤쪽에 배치했습니다. 후방 압력을 주기 위해서죠. 8개의 날개가 구동하는 하이브리드 터보 수소 엔진 2개가 추진력을 제공합니다.

 

세 번째 유형인 BWB 항공기는 넓은 인테리어를 바탕으로 수소 저장 및 분배를 위해 여러 옵션을 제공합니다. 액체 수소 저장 탱크가 날개 아래 저장되고 터보팬 항공기와 동일하게 2개의 하이브리드 수소 터보팬 엔진이 추진력을 제공합니다.

 

수소 비행기의 원리

세 비행기 모두 액체 수소를 사용하는 가스터빈* 엔진이나 수소연료전지를 이용해 동력을 생산합니다.

*가스터빈이란 연소실에서 공기를 압축해서 연료와 함께 연소시키고, 폭발을 통해 발생한 에너지를 운동에너지로 전환하여 이를 동력원으로 사용하는 열기관입니다.

 

첫 번째로 가스터빈 엔진에 대해 설명드리겠습니다. 가스터빈 엔진의 경우 기체 수소가 아닌 액체수소를 연료로 사용합니다. 바로 부피 때문입니다. 액체의 경우 기체보다 1,000배 이상 부피가 작고, 대용량 저장과 운송에 적합합니다. 기체를 고압으로 압축한 뒤 갑자기 팽창시키게 되면 기체의 온도가 급격하게 감소합니다. 이 원리를 이용해 기체 수소의 온도를 영하 253도까지 낮춰 액체수소를 생성할 수 있죠.

 

동력을 생산하는 두 번째 원리바로 수소연료전지입니다수소연료전지의 작동원리는 이러합니다.

 

ⓒ이민주 제작

 

수소는 양극을 통해 연료전지로 들어갑니다. → 수소 원자가 촉매(반응 속도를 빠르게 하는 물질)와 반응해 전자와 양자로 갈라집니다. → 주변의 공기인 산소는 음극을 통해 반대편에서 들어갑니다. → 양전하를 띤 양성자가 다공성(작은 빈틈을 많이 가진 형태) 전해질* 막을 통과하여 음극으로 들어갑니다. → 음전하를 띤 전자는 세포 밖으로 흘러나와 전류를 발생시킵니다. → 마지막으로 음극에서는 양성자와 산소가 결합하여 물을 생성합니다.

*전해질이란, 물 등의 용매에 녹아서 이온으로 해리되어 전류를 흐르게 하는 물질입니다.

 

수소연료전지는 전해질막으로 분리된 양극과 음극으로 구성됐습니다. 배터리와 비슷하게 전기화학반응을 통해 분자에 저장된 에너지를 전기로 변환합니다. 주기적인 충전이 필요한 배터리와 달리, 연료원인 수소의 공급으로 전기를 끊임없이 생산할 수 있습니다. 100% 물만 배출하므로 환경오염의 걱정 또한 없죠!

 

수소 비행기의 미래

수소 비행기 상용화가 다가오려면 수소 밀도에 관한 연구가 계속되고 저장 탱크의 무게, 경제성 등 다양한 측면에서 발전이 필요한데요. 지속적인 연구와 실제 운항을 통해 상용화가 점차 앞당겨질 것으로 보입니다. 에어버스 역시 2035년을 상용화를 목표하고 있습니다.

 

수소 비행기 상용화는 수소에너지가 친환경적인 원료로 자리매김할 좋은 기회라고 생각합니다. 수소는 활용도가 높은 에너지원이기 때문에 수소 드론, 수소 택시 등 다양한 분야에서의 범용적 활용이 이루어진다면 더 좋은 시너지 효과가 발생하겠죠. 앞으로의 발전이 더 기대되는 수소 비행기가 만들어 갈 맑은 하늘을 기대해봅니다.

 

 

 


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