UAM 도심 항공 모빌리티

책 이름: 미래 모빌리티 UAM에 투자하라

저자: 이재광

개인적으로 UAM에 상당히 관심이 많아서 논문도 몇 번 찾아보긴 했지만 이렇게 국내에서는 유일하게 UAM과 관련된 책이 있어서 바로 구매한 책이기도 하다. 저자는 제목과 같이 왜 UAM에 투자하라고 하는지에 대해서 UAM 개념에 대한 많은 분석을 수행하였으며 미래 전망을 제시하였다.

나 또한 어릴 적부터 하늘을 날고 싶다는 것에 대해 상당히 동경이 많았던 거 같다. 1인이 자신만의 모빌리티를 이용하여 하늘을 날아서 원하는 곳에 제한받지 않고 구름 사이를 뚫고 가는 상상. 상상만 해도 상당히 행복한 순간이었다. 이를 위해서 실제로 전 세계가 뛰어들고 있으며 모빌리티 기업에서는 신산업 분야로 많은 투자를 진행하고 있기도 하다.

Intro

UAM은 Urban Air Mobility를 의미하는 단어이다. 그리고 흔히 에어 택시 (Air Taxi)를 의미하는 단어이기도 하다.

실질적으로 UAM은 도심항공교통을 의미하며 승객, 화물 운송 등을 목적으로 도심 내에서 이동 가능한 신개념 항공 교통 체계를 의미한다. 나아가 UAM은 기체뿐만 아니라 UAM과 관련된 인프라, 서비스, 운용 시스템 등 전반적인 산업 생태계 또한 포괄하는 개념이다. 또한 UAM이라는 개념은 eVTOL (electric Vertical Take-Off Landing, 전기 추진수 직 이착륙기)으로도 알려져 있다.

UAM의 조건

UAM이 활용되려면 다음과 같은 조건들을 만족시켜야 할 것이다.

(1) 수직이착륙 (Vertical Take-off Landing)

: 도심에서 날기 위해서 반드시 필요한 기능이며 빌딩의 옥상이나 비컨과 같이 제한적인 공간에서 이착륙을 하기 위해서 반드시 필요하다.

(2) 소음 저감

: 프로펠러로 추진력을 발생하기 때문에 당연히 소음이 동반될수밖에 없다. 또한 UAM 특성상 도심지의 상공을 날기 때문에 더더욱 소음 감소 능력은 반드시 갖춰야 하는 요소이다.

(3) 저탄소 배출

: 모든 모빌리티는 지구 온난화에 대한 기여가 최소화가 되도록 항상 규제가 따르며 때문에 배터리나 수소에너지와 같은 탄소 배출이 없는 에너지원을 사용해야 한다.

(4) 인증 (Certification)

: 감향표준은 항공기가 안전하게 비행할 수 있는 능력을 의미한다. eVTOL은 새로운 비행기이므로 기존의 다양한 인증방식 또한 eVTOL 인증 방안에 대해 새로 제작하고 있으며 개정을 진행 중이다. 신형 항공기가 인증을 받기까지 상당한 비용과 시간이 걸리는 만큼 인증으로 인한 문제로 개발은 빨리 될지언정 상용화되기까지는 시간이 걸릴 것으로 보인다.

4가지 기능이 당연히 만족되어야 하며 대표적으로 흔히 사용되는 헬리콥터는 이착륙이 가능하지만 소음이 아주 크다. 또한 내연기관 엔진이기에 탄소 배출 또한 막대하다. 하지만 eVTOL은 전기모터를 사용하며 프로펠러가 상대적으로 작다. 때문에 위의 3가지 조건들을 만족하면서 가격 또한 평균적으로 4배 저렴하기 때문에 헬리콥터를 UAM으로 사용하지 않고 eVTOL을 사용한다.

조비 (Joby)사에서 만든 eVTOL은 이미 기존의 헬리콥터보다 약 100배 조용하다는 것을 실제 실험을 통해서 증명하였다.

[2] How Quiet is the Joby Aircraft During Fly over?

UAM 형태

UAM의 형태는 다양하다. eVTOL은 요약하면 아래 그림과 같이 4가지로 나뉜다.

1번째는 멀티 콥터이다. 아래의 그림처럼 드론의 형태를 지니기도 하며 대표적인 기업으로는 이항 (Ehang), 볼로 콥터 (Volocopter), 볼로 시티 (Volocity) 등이 있다. 그러나 드론 형태의 경우 성능이 다른 기체 형태보다는 비교적 낮기에 활용으로는 제한적이다.

2번째는 Lift Cruz 형태이다. 헬리콥터와 비행기가 혼합된 형태이다. 위 사진과 같이 뒤쪽에는 순항을 할수있는 힘을 만들며 나머지 프로펠러는 양력을 충분히 만들어서 수직 이착륙 및 비행을 할 수 있도록 해준다.

3번째는 Tilt Rotor이다. 프로펠러의 방향이 기울어질수있는 자유도를 지니며 양력과 추력을 균형 있게 만들어서 비행하는 방식이다. 대표적으로 현대자동차의 concept eVTOL이 Tilt rotor type이다.

마지막으로 Ducted Vector Thrust이다. 해당 type은 3번째 방식과 같이 rotor가 tilt 할 수 있는 type이며 다수의 작은 모터가 나란히 붙어서 Thrust를 만드는 역할을 수행한다.

[4] Lilium Seven-Seater eVTOL Jet, Germany

UAM Energy Source

UAM의 3가지 조건중 탄소 배출이라는 항목을 저감시키기 위해서는 전기에너지를 사용해야 한다. 그리고 사용자들은 오랜 시간 기다릴 여유는 없기에 에너지원을 빠르게 충전할 수 있는 능력 또한 에너지 원을 평가할 때 중요한 요소가 된다.

Joby 사에서는 2021년에 한번의 충전으로 250km 비행 (총 비행시간 77분)을 성공하였다. 평균 속도는 200km/h에 도달하였으며 사용된 에너지원은 리튬이온 배터리이며 양극재는 NCM811 및 흑연 음극재가 사용되었다. 이 테스트를 통해서 현존하는 배터리 기술로 상당히 먼 거리를 빠르게 이동 가능하였는데 배터리의 성능이 상승하게 된다면 전 지역으로 충분히 활용 가능할 것이라고 판단된다. 또한 45분 충전으로 250Km 비행을 성공할 수 있을 것이라고 예상하였는데 반드시 시간이 더 줄여져야 하는 부분이긴 하다.

수소에너지 또한 상당한 개발이 진행되고 있다. 액화수소는 리튬이온 배터리보다 약 200배 이상 비에너지가 높으므로 항공 항속거리를 상당히 늘릴 수 있다. 마찬가지로 환경오염에 미치는 부산물이 생성되지 않으므로 친환경적인 에너지원 중하나이다. 그러나 수소 에너지원을 제대로 활용하기 위해서는 난이도가 상당히 높으며 수소를 저장하고 에너지로 바꾸는 저장탱크와 변환장치의 무게 및 고출력 생산 가능 여부에 따라 사용 여부가 결정된다.

인프라 또한 큰 문제이다. 국내도 휴게소나 대학 및 거주 환경에 전기에너지 충전소가 세워지고 있다. 그러나 수소연료전지를 위해서 또한 다시 설치되어야 하며 수소는 폭발 위험성이 상당히 크기 때문에 안전도 많이 신경 써야 한다.

Outro

이외에도 책에서는 대량생산 및 비용 등 상용화에 대한 관점과 UAM 개발을 선도하는 다양한 기업에 대해서 소개를 하고 있다.

Mobility를 개발하는 주되고 근본적인 이유는 빠르고 안전하게 목적지에 도달하는 것이다. 멋은 그 다음 이야기이며 부가적인 이야기이다. 때문에 어떻게 빠르게 도달할까에 대한 물음에 답하기 위해선 이동 방식, 에너지원, 현존하는 교통체계에 부합한 지에 대해 맞아야 한다. 궁극적인 이동 방식은 공간이동에 제약이 없는 공간이동이나 우주를 항행할 수 있는 반중력 또는 고 에너지 (핵융합..) 기반의 개인 우주선이 될 것이다. 그러나 이것은 너무 먼 미래이다.

현재 우리가 제일 익숙하게 기대하는 모빌리티의 미래는 바로 자율주행자동차이다. 대표적으로 Tesla의 자동차가 현존하는 자율주행 차량 그룹들 중에서는 압도적인 기술력을 보이고 있다. 완전한 자율주행이 가능해진다면 차량의 내부 인테리어는 탑승자의 편의에 맞게 개선될것이며 혁신될 것이다. 작업공간이 될 수도 있으며 엔터테인먼트 공간이나 휴식의 공간이 될 수도 있다. 그러나 허점들이 아직 많이 존재하는 편이다. 대표적으로 사람 같은 경우 갑작스럽게 나타날 때 어느 정도 대응이 되지만 물체에 대해서는 (굴러오는 타이어, 공...) 대응이 잘 안 되는 게 단점이며 완전한 자율주행인 Level 5를 위해서 인프라와 함께 해결해나가야 할 문제이다.

자율주행자동차와 비교하여 UAM은 항공에서 움직이기에 지상에서 맞이하는 잠재적인 위협은 비교적 숫자가 줄 것으로 생각되지만 그만큼 위협을 맞이하게 되면 추락으로 인한 더욱더 치명적인 연쇄 결과를 불러올 수 있기에 더욱더 안전 시스템에 신경을 써야 할 것이다.

위협 문제만 제대로 대응하고 해결해나간다면 UAM 또한 인류의 이동 방식에 대해 상당한 혁신을 가져오는 대표적인 모빌리티 중 하나일 것이다. 항공은 2차원 이동이 아닌 3차원에서 이동을 하는 이점을 이전에는 비행기가 보여주었지만 이제는 밀도가 높은 도심에서 좀 더 그룹 단위가 작은 사람, 물건 등의 항공 이동을 UAM이 해준다면 Physical 한 Interaction은 더욱더 높아질 것으로 생각된다. 즉, 인터넷과 VR 및 메타버스를 통한 초연결사회를 맞이하여서 이제는 현실 세계에서도 거리가 문제가 되지 않는 세상이 오기를 개인적으로 기대하고 있다. 이로 인해 서울에 집중되는 문제 또한 지방으로 분산시킬 수도 있으며 한국의 지리적인, 고질적인 문제들을 해결해주리라 희망하고 있다.