英国軍は、着陸することなく数ヶ月間連続飛行可能な2機の航空機を購入する予定だと報じられています。これらの大型太陽光発電ドローン「ゼファー」は、長期的な監視任務に投入される可能性があり、高画質画像で地域を常時監視することができます。また、遠隔地での携帯電話やインターネット通信信号の供給、地上ミッションの支援、さらには長期的な研究プロジェクトの実施にも使用される可能性があります。
FacebookとGoogleによる同様の技術開発の取り組みに加え、欧州の航空宇宙企業エアバスによるゼファー機の発売は、連続飛行の新たな時代の幕開けとなる可能性があります。これを可能にしたのは、軽量素材、太陽光発電とバッテリー、そして自律航法における一連のブレークスルーです。これらの進歩が相まって、昼夜を問わず、場合によっては数ヶ月間も飛行可能な航空機が誕生しました。
自己誘導式および自己動力式の飛行機はNASAから始まりました。NASAは、1981年にイギリス海峡を横断飛行した有人ソーラーチャレンジャー飛行機の開発チームと協力し始めました。1994年までに、NASAのパスファインダー飛行機は、太陽電池パネルで飛行機に高高度まで電力を供給できることを実証しました。
しかし、飛行機は夜間に電力を必要としていました。当時のバッテリーは重すぎたため、NASAのエンジニアたちは水素燃料電池に着目し、ヘリオスの試作機に搭載して24時間稼働の実証を目指しました。
飛行中のヘリオス機
残念ながら、ヘリオスは構造的に脆弱であることが判明し、2003年の試験飛行中に乱気流に遭遇して機体が崩壊し、NASAの太陽光発電ドローン開発は終焉を迎えました。しかし、わずか2年後、AC Propulsion社のSoLong機は、軽量バッテリーを太陽光発電機に搭載することが可能であることを実証し、6人のパイロットによる遠隔操縦で48時間飛行しました。
英国のQinetiQ社が開発したゼファーは現在、翼幅23メートルながら重量わずか55キログラム（ヘリオスの726キログラムと比較）で、民間航空機やジェット気流の高速気流の上空20キロメートルを巡航します。
さらに重要なのは、燃料補給なしで数ヶ月間連続飛行できることです。これまでのところ、連続飛行はわずか14日間ですが、理論上はバッテリーが劣化するまでの充電と放電の回数が唯一の限界です。これを実現するために、この機体は、機体を継続的に飛行させ、カメラや通信機器を稼働させるのに十分な電力を生成・貯蔵するという重要な課題を克服しました。
ゼファー7のビデオ
今日の飛行機に使用されているソーラーパネルの効率は、最初の連続飛行に使用されていたものとそれほど変わりません。大幅に改善されたのは、パネルの重量と堅牢性、そしてコストです。実際、Zephyr mark 8はアモルファスシリコンセルを使用していますが、これは10年前のSoLong機で使用されていた単結晶セルよりも効率が低いです。しかし、今日のセルはより軽量で柔軟性が高いため、より信頼性の高い構造を実現し、推進に必要な電力も少なくて済みます。
これらの航空機の実用化に貢献したもう一つの重要な進歩は、エネルギー貯蔵技術の進歩です。この技術により、日中に太陽光で発電した電力を蓄え、夜間に利用することが可能になりました。最新のリチウム硫黄電池は、10年前のリチウムポリマー電池と比較して、1kgあたり60%多くのエネルギーを貯蔵できます。ゼファー8の重量の約40%はバッテリーアレイです。
つまり、エネルギー密度（重量や容積を増やさずにどれだけのエネルギーを蓄えられるか）を向上させることは、機体全体の性能に劇的な影響を及ぼし、最終的にはより多くの機器を搭載できるようになることを意味します。
ゼファー8の製作
その他の進歩としては、機体を誘導する人工知能、周囲の気象や刻々と変化する気象に関するデータを収集するセンサー、そして機体の製造に用いられる炭素繊維複合材などが挙げられます。使用される原材料は同じですが、炭素繊維の方向をより適切に制御し、それらを固定するためのプラスチック樹脂の使用量を削減する新しい製造プロセスにより、全体的な構造が軽量化されました。
これらの技術の成果は、これまでは衛星でしか不可能だったことを、地球全体を周回することなく、特定のエリア上空を継続的に飛行できる航空機の実現につながりました。英国は2機のゼファーに1050万ポンドを支払うと報じられていますが、これは衛星の打ち上げと運用に必要な数億ポンドに比べればほんの一部です。さらに、衛星とは異なり、何か問題が発生した場合でも着陸して修理することが可能です。
ソーラー駆動ドローンの開発に取り組むエンジニアにとって、現在課題となっているのは、収集・蓄電できる電力量を増やし、バッテリーが継続的な充放電に耐えられる時間を検証することです。これにより、より広帯域の通信が可能になり、高緯度地域や冬季など太陽光の入射が弱い時期でも飛行を継続できるようになります。これが実現すれば、GoogleやFacebookのような企業がケーブルではなくドローンを介してインターネットサービスを提供できるようになるかもしれません。
著者についてリチャード・コクランは、エクセター大学の再生可能エネルギーの上級講師です。
この記事は最初にThe Conversationに掲載されました。
