1999年3月21日の朝、ベルトラン・ピカールとブライアン・ジョーンズは、気球をエジプトの砂漠に着陸させ、世界初の無着陸世界一周飛行を達成しました。祝賀ムードの中、ピカールは衝撃的な事実に気づきます。気球を浮かべておくために必要なプロパンタンクがほぼ空になっていたのです。「大西洋の風がもう少し弱ければ、不時着していたでしょう」と彼は言います。ピカールはその時、燃料を一切使わずに世界一周する方法を考案することを誓いました。
ピカール氏とパートナーは5月から、サンフランシスコからニューヨークまで、交代で単座の太陽光発電飛行機を操縦する。これは2015年に計画されている世界一周飛行の前哨戦となる。HB-SIA（ソーラー・インパルス・アルファ）と名付けられたピカール氏の飛行機は、航空業界の常識を覆すものだ。彼が初めて自分の夢を語ったとき、「ほとんどの人が完全に頭がおかしいと思った」と彼は語る。ポール・マクレディ氏のような先駆者たちは1970年代から有人太陽光発電飛行機の開発に取り組んでいたが、日没後に飛行できる飛行機は皆無で、ましてや大西洋と太平洋を何日もかけて横断できる飛行機は考えられなかった。
問題は重量だ。夜間飛行するには、飛行機は日中に充電したバッテリーから電力を得なければならない。しかし、バッテリーは1ポンド当たりのエネルギー量がジェット燃料タンクよりもはるかに少ないため、飛行機は同じ距離を飛行するためにはより多くの重量のバッテリーを搭載する必要がある。飛行機が重ければ飛行に必要なエネルギーも増え、結果としてバッテリーの電力もさらに必要になる。コックピットとパイロットを加えると、機体は離陸できないほど重くなってしまう可能性がある。そのため、太陽光発電航空機の研究は、NASAの全翼機ヘリオスのような無人機に重点が置かれてきた。
スイスの精神科医で飛行家のピカール氏は、決して挑戦を諦めない冒険家の一家に育った。1960年、父ジャック氏は初めて海洋最深部への航海を成し遂げ、1931年には祖父オーギュスト氏が初めて成層圏に到達した気球飛行士となった。ピカール氏は太陽光発電飛行機の構想を推進し続け、スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）は2003年に正式な実現可能性調査を行うことに同意した。その結果、抗力を減らし太陽電池を搭載できるよう翼幅の長い超軽量飛行機が実現可能という結論に達した。EPFLの研究を主導したパイロット兼エンジニアのアンドレ・ボルシュベルグ氏がピカール氏に加わり、正式にソーラーインパルス社を設立、10年間で1億3000万ドルのプロジェクト資金を集めるため、企業や個人の寄付者を募り始めた。
二人はすぐに、飛行機の製造を請け負う航空請負業者を見つけるのに苦労した。誰もそれが可能だとは思っていなかったため、彼らは独自の雑多なエンジニアチームを編成した。「航空業界出身者よりも、業界外出身者の方が多いと思います」とボルシュベルグは言う。ソーラーインパルスの飛行機開発責任者であるロバート・フレーフェルは、F1レースの経験を持つ。他にも、太陽光発電製造やダイカストといった業界出身者がいる。「ある意味、経験が少なかったことは大きな強みになりました」とボルシュベルグは言う。「経験を積むと、慣れ親しんだ解決策に立ち返るものですから。」
二人はすぐに、この飛行機を建造する航空請負業者を見つけるのに苦労した。誰も不可能だと考えていたのだ。チームは、フレームのリブと翼桁をすべてカーボンファイバー（ヨット製造会社製）で作り、高性能プラスチック製のネジとボルトで接合することを決定した。この素材は軽量でありながら十分な強度があり、HB-SIAの翼幅は69ヤード（エアバスA340-500旅客機とほぼ同じ）に達する。しかし、機体重量はわずか3,500ポンド強で、エアバス機の1%にも満たず、一般的なSUVよりも約2,000ポンド（約900kg）軽い。
飛行機の動力源として、エンジニアたちは主翼と水平安定板に約1万2000個のシリコン太陽電池を積層しました。これらの太陽電池は24時間平均50キロワットの電力を発電し、飛行中はモーターに直接電力を送り、余剰電力は4つのリチウムポリマーバッテリーに送られます。バッテリー管理システムは、バッテリーが過度に冷えて効率が低下したり、危険なほど過熱したりしないようにします。
4年間の設計と2年間の建造を経て、2009年末、スイスのデューベンドルフにある飛行場で、飛行機は最初の「フリーホップ」、つまり1,148フィートを飛行しました。本当のテストは2010年7月に行われました。この時、ボルシュベルグは、スイスのパイエルヌ上空で初めて夜通し飛行機を操縦しました。「飛行機がどのように動作するか、正確にはわかりませんでした」と彼は言います。「計画よりも多くのエネルギーを使用するでしょうか？下降気流に遭遇するでしょうか？」自動操縦装置のない彼は、狭い機内でヨガのテクニックを使って体を伸ばしながら、26時間連続で着席した状態で飛行しました。着陸したとき、彼は3つの記録を樹立していました。有人ソーラー飛行機の最高高度である30,300フィートと、ソーラー飛行機による最長飛行である26時間10分19秒です。
HB-SIAの試作機は、チームの航空機コンセプトの妥当性を証明したが、世界一周飛行は不可能だ。ソーラー航空の低速（HB-SIAの巡航速度は時速約43マイル）では、ピカール氏の試算では、大西洋横断にはノンストップ飛行で3日、太平洋横断には5～6日かかる。そのためには、パイロットが睡眠できるよう冗長システムと人間工学に基づいたコックピットを備えた機体、より多くのエネルギーを蓄えるための効率性の向上、そして湿度の高い環境でも飛行できるよう漏れ防止の電子機器が必要となる。こうしてソーラーインパルスチームは現在、HB-SIBの開発の途中段階にある。「最初の機体は2007年の技術を搭載しています。2機目は未来の技術を搭載しています」とピカール氏は語る。
HB-SIBは11%大型化し、自動操縦装置、より効率の高い電動モーター、そしてより軽量な炭素繊維素材で作られた骨格を搭載します。ソルベイとバイエル・マテリアルサイエンスが開発した新しい電解質と電極により、バッテリーのエネルギー密度が向上します。この技術は既に電気自動車や家電製品に採用されています。両社はまた、機体の翼端とコックピットの断熱材として、高性能な硬質ポリウレタンフォームも開発しました。バイエルは現在、このフォームを冷蔵庫や建設業界で使用しています。
ピカール氏は、自身のプロジェクトが他の産業の発展につながる可能性のある技術の発展を促したことを喜ばしく思っているが、同時にソーラーインパルスが再生可能エネルギーの追求を活性化させることを期待している。「環境保護について語ると、往々にして退屈な話になります」とピカール氏は言う。「移動性の低下、快適さの低下、成長の低下といった話ばかりです。」むしろ、太陽の潜在能力を活用することで、より多くの自由がもたらされることを証明したいと考えている。
1) フレーム
エンジニアたちは、カーボンファイバーシートを支柱と桁に重ねることで、この飛行機の超軽量骨組みを構築しました。軽量で剛性の高いフォームが翼端を形成し、ゴンドラとコックピットの断熱材として機能しています。
2) ウィング
この飛行機の長く薄い翼は69ヤード（約69メートル）の長さを誇ります。この長さは抗力を低減し、空気力学的効率を最大化するだけでなく、10,748個の太陽電池セルを設置するのに十分な面積を確保しています。
3) 太陽電池
わずか150ミクロンの厚さの単結晶シリコンで作られた太陽電池は、機体の239平方ヤードを覆い、22%の効率で太陽光を電力に変換します。
4) 楽器
翼幅が狭く、速度も時速約43マイルと低いため、この飛行機は最大5度しかバンク角を伸ばすことができません。これは従来の航空機に比べてはるかに小さい角度です。オメガ・インストゥルメントはバンク角を正確に測定し、パイロットが機体を過度にバンクさせた場合、操縦輪を振動させます。
5) コックピット
コックピットにはパイロットが1人しか乗れず、必ず着席していなければなりません。操縦桿はジョイスティック、ラダーバー、そして4つのレバーを使って飛行機を操縦します。
6) ゴンドラ
主翼桁の下に固定された4つのゴンドラ（ポッド）には、それぞれバッテリーパック、10馬力の電動モーター、そしてプロペラを400rpmで駆動するギアボックスが搭載されています。バッテリーの重量を分散させることで、ゴンドラは構造負荷も軽減します。
7) 電池
総重量880ポンドを超えるリチウムポリマー電池パックは、機体重量の4分の1を占めています。電池効率は非常に高く、1ポンドあたり約109ワット時の電力を蓄えます。
飛行経路
日中、ソーラープレーンは高度27,000～28,000フィートまで上昇します。日が沈むと、プロペラはエネルギーを節約するためにスロットルを絞り、機体はゆっくりと高度4,500フィートまで降下します。太陽が昇り、バッテリーの充電が始まるまで、機体はその高度に留まります。チームの気象学者は、風や雲量の予測を考慮し、日中の上昇に最適な時間帯をシミュレーションで決定します。
スティーブン・キャスはボストンを拠点とするテクノロジージャーナリストで、航空宇宙とコンピューティングを頻繁に取材しています。
この記事は、2013年5月号の『ポピュラーサイエンス』に掲載されました。同誌の他の記事はこちらをご覧ください。
