プロペラは、流体（通常は空気または水）を吸い込み、回転運動によって流体を推し進めるように設計されています。ある意味では、プロペラはアルキメデスのねじの進化形と言えるでしょう。アルキメデスのねじは、紀元前234年にアルキメデスによって記述される以前、古代エジプトで数千年にわたって使用されていたと考えられています。

トロイダルプロペラ：船舶エンジンに後付けすることで、燃料消費量を最大20％削減できる、より静かで効率的な設計

しかし、回転するように設計された機器には、長年にわたり革新的な設計変更はほとんど行われてきませんでした。プロペラ駆動の航空機は、今でもねじれた翼ブレードのプロペラを使用しています。これは、2400年前の中国の子供たちが好んでいた竹トンボのデザインに似ています。ライト兄弟が1903年に風洞で開発した木製プロペラと比べて、効率はわずかに向上しています。スクリュー式プロペラを今も使用している船舶の派生型は、18世紀にまで遡ります。

その結果、大きく異なる形状のプロペラ、具体的には、従来の設計よりもはるかに静かであるだけでなく、特に海中でより効率的でもあると思われる奇妙なねじれたループを使用して、空中と水中で大きな利点を実証したと主張するグループを発見しました。

MITの超静音3Dプリントトロイダルプロペラが商用ドローンに搭載されテスト中

空中でゲームチェンジャーとなる可能性

マルチロータープロペラの大きな問題は、その不快な騒音です。その騒音の多くは赤ちゃんの泣き声と同じ周波数帯域にあるため、「キーン」という音と表現されることがよくあります。人間は100Hzから5kHz程度の音に最も敏感です。この帯域は、言葉によるコミュニケーションにおいて重要な母音を聞き取る帯域です。しかし、マルチローター機がその潜在能力を最大限に発揮し、高速で経済的なクリーンな空気供給サービスで空を満たすためには、騒音は重要な課題となるでしょう。

「ご存知の通り、プロペラは非常に大きな音を発します」と、リンカーン研究所の構造・熱流体工学グループのシニアスタッフ、トーマス・セバスチャン博士は述べた。「翼を見れば、その仕組みが分かります。20世紀初頭と第二次世界大戦中、人々が飛行機のアイデアを考案していた頃、基本的に円形の翼を持つ設計がいくつかありました。そこで、円形の翼を似たような構造にしてプロペラにしたらどうなるだろうかと考えました。」

セバスチャン氏は続けた。「より静かなプロペラを実現するために、トロイダル翼形状を採用するという最初のコンセプトを思いつきました。そのコンセプトを基に、3Dプリンターを使って様々な改良を施しました。」

最大のノイズ低減は、1～5kHzの周波数範囲で必要な場所で発生します。

チームは数回の試行を経て、特定の推力レベルにおける全体的な騒音レベルを低減するだけでなく、1～5 kHz の範囲の騒音も低減する設計を発見しました。

実際、これらのプロペラの音はプロペラというよりは、かすかな風のような、耳障りな音ではありませんでした。研究チームによると、これらのプロペラを搭載したドローンは、通常のドローンと2倍の距離でほぼ同じ騒音を発するそうです。

セバスチャン氏は、「プロペラを静かにする鍵は、プロペラが生み出す渦を先端だけでなく、形状全体に分散させることだと考えています」と述べた。「これにより、渦は大気中でより速く消散します。渦が遠くまで移動しないため、音が聞こえにくくなります。」

プロペラの騒音は、プロペラの軌道周囲に音響処理リングを設置することで対処できます。これは安全面ではプロペラガードとしても機能します。しかし、これらは寄生質量を増加させ、バッテリー寿命を縮めるだけでなく、屋外では風の影響を受ける可能性があり、ドローンが安定を保つためにより多くのエネルギーを必要とします。

チームは、この奇妙なリングストラットが推力効率を低下させるかどうかを分析しました。どうやら低下させる可能性は低いようです。チームが開発したB160型プロペラは、テストした中で最も高性能だった標準プロペラよりも、同じ推力レベルで静音性に優れていただけでなく、同じ出力レベルでより大きな推力を生み出しました。これは、標準プロペラが1世紀以上も前から存在し、その開発とこれらのトロイダルコイルの開発はまだ初期段階にあり、まだ多くの最適化が必要なことを考えると、驚くべき成果です。

MIT チームは、これらの奇妙な見た目のプロペラの効率を最適化するのにそれほど時間を費やさなかったが、所定の電力レベルにおいて、標準的なプロペラよりも大きな推力を生み出した。

さらに重要なのは、トロイダル形状により構造の安定性が向上するだけでなく、支柱によって切断、挟まれたり詰まったりする可能性も低くなることです。

欠点としては、形状がかなり複雑なため、安価でシンプルな射出成形を用いた標準的なプロペラよりも製造が困難です。3Dプリンターで製造する必要がある場合もあります。しかし、通常のプロペラの2～3倍のコストがかかるとしても、ドローン用としては低コストの部品と言えるでしょう。

このような設計が、固定翼航空機や電動航空機の従来のプロペラを置き換え、より大規模な用途に適しているかどうかは不明です。電動航空機は既にヘリコプターよりもはるかに静かだと思われていますが、高速で経済的、そして環境に優しい航空機が都市の空域を席巻することになれば、騒音レベルが1デシベルでも高まると、一般市民や規制当局の抵抗が大きくなるため、特に大きな問題となります。実際、ここで問題となるのは、これらの大型プロペラが可聴帯域のどの周波数帯を占めるのか、そしてリングプロペラが音を人間にとって快適な方向に変化させるかどうかです。

チームはこの設計の特許を申請しており、商品化の計画があるかどうかは不明だが、MITは関心のあるメーカーにライセンスを供与する準備はできているようだ。

Sharrowの船外機用アフターマーケットリングプロペラ：高価だが、並外れた利点がある

水中でより大きな利点

ドローンと航空は別物ですが、空気力学と流体力学は密接に関連しており、海洋分野では非常によく似たアプローチを採用したほぼ量産状態の製品がすでに存在していることがわかりました。

Sharrow Marine社は、標準的なブレードの代わりにリングを採用したボート用プロペラで驚くべき成果を上げています。数年にわたる開発を経て、同社は数百種類の標準的なプロペラで自社のプロペラをテストした結果、その差は驚くべきものでした。Sharrow社のプロペラは、エネルギー損失の大きな原因であり、船外機全体の騒音の大きな要因となっている先端渦を全く発生させません。

中速流では効率向上はとてつもなく大きく、ボートの加速曲線の明らかな穴を埋め、多くのエネルギーを節約します。

トロイダルプロペラは、プロペラ側面から押し込まれるのではなく「滑り出る」流体の量を大幅に減らします。これにより、より多くの水を引き込み、ボートを前進させます。低速から中速では、ボートの速度が2倍になることも多く、モーターの有効速度範囲が大幅に拡大します。同時に、燃料消費量を約20%削減します。これは、プロペラ駆動ボートの膨大なエネルギー需要と業界規模を考えると、非常に大きな削減効果です。

シャロー氏によると、これらの技術は加速時にボートが後方に傾く傾向を大幅に低減し、ボート全体が水面から浮上しながらも高いパフォーマンスを維持するという。最も重要なのは、騒音抑制効果も広範囲に及ぶことだ。

実際、同社によれば、このプロペラは、ほぼあらゆる船外機に取り付けることができ、時速30マイル（48キロ）で静かに推進できるため、船上で音量を上げなくても会話ができるという。

Sharrow社は既に、CNC加工で製造され、主要メーカーの様々な船外機に適合するトロイダルプロペラを販売しています。この製品の欠点は価格です。どちらのモデルも4,999ドルかかるのに対し、一般的なプロペラは500ドル弱で販売されています。しかし、これは多くのボートの総費用の中ではごくわずかな部分であり、また、燃料消費量が多いことを考えると、短期間で費用を回収できる可能性があり、乗船者の乗り心地も向上するでしょう。