교통 혼잡을 해결할 수 있는 비용 효율적인 방법은 무엇일까? 최근 이에 대한 가장 흥미로운 실험이 벌어지고 있다. 도심 항공 운송이 그것이다. 일명 날아다니는 자동차들이 도심 속에서 수천수만 대가 운용된다면? 중요한 것은 단지 날아다니는 자동차에 그치지 않고, 이를 대중교통 속에 녹이는 고도의 시스템이다. 이 시스템에 필요한 기술들, 그리고 현재 우리는 어디까지 항공 운송의 문에 다다른 것일까?

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매일 전 세계 도로에서 수백만 시간이 낭비되고 있다. 평균적으로 샌프란시스코 거주자는 일터와 가정간 매년 통근하는 데만 230시간을 소비한다. 매일 하루에 50만 시간에 해당하는 생산성 손실이 발생하는 것이다. 로스앤젤레스와 시드니에 사는 사람들이 매년 통근하는 데 사용하는 시간을 더하면 7주나 되는데, 모두 교통 정체 시간에 허비되는 비생산적인 시간이다. 세계적인 수많은 거대 도시에서 이러한 문제는 더욱 심각하다. 예를 들어 뭄바이의 평균 통근 시간은 90분을 초과한다. 이것은 - 우리 모두에게 해당되는 것이다 - 가족과 함께하는, 그리고 경제를 발전시키는 업무에 쓰는 시간은 짧고, 연료를 사용하는 데 비용은 더 들며, 스트레스 지수는 현저히 높아지고 있다는 의미다. 〈미국 예방의학저널American Journal of Preventative Medicine〉에 발표된 연구에 따르면, 매일 10마일 이상 통근하는 사람은 그렇지 않은 사람보다 혈압 상승 확률이 높은 것으로 나타났다.

시애틀, 산호세, 로스앤젤레스, 달라스, 휴스턴, 시카고, 뉴욕 등 수많은 미국 도시에서 통학은 막대한 경제적 손실과 개인적인 스트레스의 원인이 된지 오래다.

2015년 한 연구 논문에서 나사NASA 과학자 마크 하몬Mark Harmon은 항공 이동 수단을 통해 교통 정체로 고통 받는 ‘통근 시간’을 극적으로 줄일 수 있다고 결론지었다. 마크 하몬의 전망은 우버Uber와 리프트Lyft가 개척하고 있는 ‘수요 모델’과 잘 맞는다.

과거에도 ‘비행 자동차’로 알려진 ‘개인용 항공 자동차Personal Air Vehicle, 이하 PAV’에 대한 아이디어는 존재했고, 상용화되는 경우 산업계에 지각 변동을 가져올 것으로 예견됐다. 이 과정에서 도전 과제는 진화하는 디지털 기술을 활용하여 경제적으로 실행 가능한 비즈니스 모델을 만드는 것이었다. 우버의 최고경영진은 하몬의 전망과 개념을 구체화하는 과정을 통해 이것이 가져올 엄청난 변화의 잠재력을 즉각 알아차렸다.

우버는 하몬을 회사에 영입하고 앞으로의 기회를 잡기 위해 우버 엘리베이트Uber Elevate라는 사업 부서를 창설했다. 이와 비슷한 시기에 릴리움Lillium이라는 독일 회사도 승용차 공유 모델을 기반으로 자체적인 개발을 시도하기 시작했다.

우버와 릴리움의 대담한 도전 과제는 ‘가까운 시일 내에 활용 가능한 기술과 인프라를 사용하여 안전하고 비용 효과적이며 안정적이며 조용한 항공 통근 솔루션을 제공하는 것’으로 요약할 수 있다. 그러나 이 도전 과제를 이행하려면 가혹한 현실 속에서 ‘닭이 먼저나 달걀이 먼저냐’의 딜레마를 극복해야 한다. 즉, 경제적으로 실행 가능한 완전한 시스템을 만드는 데 필요로 하는 다른 구성 요건들이 갖춰지지 않는다면, 누구도 이 새로운 산업에 필요한 규정, 인프라, 차량 및 에너지 공급, 마케팅 자산 등을 구축하는 데 필요한 자본과 인력을 투자하길 꺼릴 것이기 때문이다. 이것은 성공에 필요한 복잡한 생태계의 모든 부분들이 동시에 고안되어 배치되어야 한다는 의미이다.

이러한 토대 하에, 우버 엘리베이트는 우버 및 다른 회사들이 핵심역량을 기반으로 채울 산업적 역할 및 표준을 정의하는 사명을 가지고 ‘생태계 허브’의 역할을 수행하고 있다. 이들의 아이디어는 표준화 수직이착륙비행장vertiport 혹은 스카이포트Skyports에서 운용하는 다양한 비행 자동차를 가지고 최종 사용자들에게 표준화된 인터페이스를 제공하는 것이다.

이를 위해 해당 생태계는 다른 기술 맥락에서 진화하고 있으면서, 이 산업에도 적용될 수 있는 광범위한 기술들을 활용할 것이다. 센서 네트워크에서부터 고밀도 급속 충전 배터리, 초경량 복합재에 이르기까지 이 범위는 매우 다양하다.

현재 우버 엘리베이트가 직면한 핵심 도전 과제는 수많은 파트너들이 더 광범위한 산업 프레임에 균일하게 맞출 수 있는 솔루션을 창출하도록 돕는 것, 그리고 기업들이 최소한의 시행착오로 어려운 문제에 대한 현실적인 솔루션을 빠르게 제공하는 데 집중할 수 있는 표준을 개발하는 것이다.

비즈니스 파트너들은 각자 항공기, 파일럿, 스카이포트, 전력 및 전자 관리, 스카이포트 운영, 통신 인프라 관리를 맡는 것이다. 엘리베이트 크라우드 서비스Elevate Cloud Services로 불리는 시스템 디지털 플랫폼을 구축하는 것 외에도, 우버의 또 다른 기능은 파트너들이생태계의 수많은 역할을 채우도록 하는 일이다. 이는 정부와 각 참여자들의 협업에 의해 가능하다.

우버의 세 번째 주요 역할은 도심 항공 이동Urban Air Mobility 시장에 최적화된 배터리와 배터리 관리 시스템의 개발 및 제조를 주도하는 것이다. 이를 위해 우버는 최근 테슬라Tesla의 최고 배터리 설계제조 경영자를 고용해 배터리 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템은 전기 수직이착륙 항공기의 급속 충전?방전 환경에 최대한 비용 효율적으로 설계된 것이다. 이 시스템이 필요한 이유는 무엇일까? 전기 수직 이착륙 항공기의 신뢰성, 에너지 밀도, 에너지 전달 수요가 전기자동차의 그것보다 훨씬 더 고도화된 것이기 때문이다.

2018년 5월 8일~9일간 로스앤젤레스에서 개최된 제2차 우버 엘리베이트 컨퍼런스Uber Elevate Conference는 우버 엘리베이트가 무수한 도전 과제를 어떻게 해결할 것인지를 보여줬다. 복잡하지만 충분히 가능성 있는 선형 프로그래밍 모델로서 도심 항공 승차공유 산업이 바로 그것이다. 이 모델 내에서 각각의 ‘구속 방정식constraint equations’ 은 아주 특별한 비즈니스 도전 과제를 나타낸다.

우버의 첫 번째 도전 과제는 새로운 우버 엘레베이트 시스템의 ‘고객 대면 특성들customer-facing characteristics’을 결정하는 것이다. 이러한 특성들은 ‘사용자 경험’을 결정짓는 것들로, 속도, 가격, 신뢰성, 미학적 측면 등이 포함된다. 도시를 돌아다니기 위한 기존 두 가지 모델은 헬리콥터와 자가 승용차 모델이다. 우버는 1마일당 8.93달러가 드는 오늘날 헬리콥터 서비스의 비용과 속도에 기반하여, 새로운 제안이 헬리콥터의 수요와 동일한 인구의 사용자를 유치할 것이라고 가정했다. 새로운 제안은 헬리콥터의 속도와 자가 승용차의 비용을 합쳤는데, 결과적으로 1마일당 0.49달러로 나타났다. 이는 자동차를 가지고 30분, 혹은 그 이상을 소비하는 사람들 거의 대부분에게 매우 매력적인 제안이다. 수요 곡선 상의 이 두 가지 포인트가 ‘수요와 그 수요를 만족시키는 데 필요로 하는 다양한 네트워크를 결정하는 것을 포함하는’ 더 광범위한 분석을 위한 시작 포인트를 형성한다.

다음 도전 과제는 한 해의 매주 매 시간마다 얼마나 많은 사람들이 A지점에서 B지점으로 가고 싶은지를 파악하는 것이다. 이것은 다음과 같은 몇 가지 기본 가정으로 시작한다.

1. 사람들은 지금 가고 있는 같은 장소로 가고자 할 것이다.

2. 그들은 똑같은 도착 시간대를 원할 것이다.

3. 그들이 현재 소요되는 시간의 일부만으로 그곳에 도착할 수 있다면 (절감된 시간으로) 또 다른 장소를 가고 싶을 수도 있다.

4. 새로운 세대의 도심 항공기들은 오늘날의 헬리콥터의 속도로 혹은 그 이상의 속도로 움직일 것이다.

5. 훨씬 더 빠른 도어투도어door-to-door 서비스를 제공한다면, 사람들은 새로운 솔루션을 기꺼이 받아들일 것이다.

6. 사람들은 출발 수직이착륙 비행장이나 도착 수직이착륙 비행장까지 가는데 (걷거나 우버 자동차와 같은) 기존 지상 운송수단을 이용할 것이다.

이러한 혹은 그 밖의 합리적인 가정을 감안하여, 우버는 그들 자체의 경험과 공식적인 교통 체증 데이터를 결합하여, 수직이착륙 비행장이 위치할 최적의 장소가 어디인지를 결정한다.

두 번째 도전 과제는 각 승객에 대한 전체 비용을 결정하는 것이다. 앞서 언급한 지상 운송수단, 에너지 및 수직이착륙 운영비용, 항공 수단 및 시스템 운영비용 등이 여기에 포함된다. 특정 크기의 수직이착륙 비행장은 고정 및 비고정 운영비용을 예상하는 것이 가능하다. 항공 수단, 즉 항공기 비용에는 취득 비용과 같은 고정 비용, 그리고 에너지, 유지, 파일럿 운영비용 등이 포함될 것이다. 또한 관리 및 시스템에 드는 비용도 있을 것이다.

마일당 드는 실제 비용은 가동률에 따라 달라진다. 어떤 교통 시스템이든 마일당 평균 총 수익이 마일당 평균 총비용을 초과하면 수익성 높은 비즈니스가 된다. 즉, 이는 가동률이 중요하다는 것을 의미한다.

우버가 이미 사용하고 있는 것과 같은 ‘다양한 가격 책정 알고리즘’이 수요와 사용 가능한 항공기, 수직이착륙 비행장의 제한된 수용 역량을 맞춰줄 것이다. 즉, 피크 상황에서의 피크 가격으로 ‘러시아워’ 동안의 과도한 대기 시간을 방지해줄 것이다. 반면 심야 할인 가격은 이 시스템을 일주일 24시간을 바쁜 상태로 만들 것이다. 물론 오프 피크off-peak기간에는 유휴 항공기들이 기존 여객 항공기와 같은 안전성을 보장할 수 있도록 유지 정비 보수를 받을 수 있도록 해줄 것이다.

추가적인 도전 과제는 활용도 관리utilization management에 기반하여 비행장의 배치를 미세하게 조정하는 것이다. 즉, 주어진 시간 간격 내에서 목표로 하는 서비스 수준을 제공하기 위해, 각 비행장이 필요로 하는 항공기의 수를 결정하는 것이다. 분명히 지형, 기술, 규제가 섞여 제한을 받게 되는 비행장의 수와 형태는 수송 역량과 가격에 영향을 줄 것이다.

주목할 만한 점은 비행장의 제약이 우버가 목표로 하는 항공기 배치를 결정하는 데 있어 주요한 역할을 하고 있다는 것이다. 예를 들어, 우버가 내려야 했던 초기 결정 중 하나는 네트워크가 내연 기관, 하이브리드 전기 장치, 혹은 전기 전용 항공기를 지원하는지에 관한 것이었다. 그들은 6개의 비행장이 주도하는 다음과 같은 이유로 전기 전용 항공기만 지원하기로 결정했다.

1. 도시 화재 규정으로 인해 높은 고도의 수직이착륙 비행장 내에서 내연 기관 또는 연료 전지에 필요한 액체 연료를 보관하고 취급하려면 엄청난 비용이 초래된다.

2. 수직이착륙 비행장이 아닌 곳에서의 재급유는 용납할 수 없을 정도의 수준까지 활용성을 더 낮추는 결과를 초래한다. 연료 탱크가 빈 항공기가 연료 보급 장소로 왕래하는데 소요되는 시간 때문에 그렇다.

3. 내연 기관이나 연료 전지에 필요한 액체 연료로 인한 기내 화재의 위험은 전지로 인한 발화보다 훨씬 더 위험하다.

4. 기존 내연 기관으로는 목표로 소음 수준을 충족할 수 없을 것이다. 헬리콥터는 500피트 상공에서 평균 85dB이다. 우버는 70dB을 목표로 하고 있다.

5. 오늘날의 최첨단 배터리 기술을 사용하는 전기 수직이착륙 차량은 이미 높은 이용률과 경량성을 달성하는 필요로 하는 충전 목표와 중량에 성공했다. 우버는 팩pack 수준에서 kg당 300Wh를 달성하는 파트너들에게 솔루션을 제공하는 프로그램을 시작했다. 현재 기술은 kg당 200Wh 수준이다.

6. 대부분의 장소에 있는 수직이착륙 비행장은 10분의 언로딩unloading/리로딩reloading 사이클 동안 필요로 하는 전기 용량에 쉽게 접근할 수 있다. 이는 전력 인프라와 배터리 기술이 발전함에 따라 더욱 더 향상 될 것이다.

또 다른 도전 과제는 새로운 항공교통관리Air Traffic Management 시스템에 대한 전례 없는 정밀도 요구 사항이다. 현재의 항공 교통 관제 시스템은 전통적인 공항에서 이착륙을 하는 기존 항공기를 위해 설계된 것이다. 공항과 별도로 오늘날 통근 헬리콥터가 운용되는 영공airspace은 본질적으로 밀도가 낮고 통제가 어렵다. 트랜스폰더transponder는 다른 항공기에게 이 항공기의 위치를 알려주고, 적은 수의 항공기들이 넓게 분산되도록 유지할 수 있다. 그러나 항공 승차 공유라는 새로운 세계에서는 수천 대의 항공기들이 달라스, 캘리포니아만 지역, 또는 로스앤젤레스 안에서 움직일 것이고, 수십 개의 수직이착륙 비행장으로 모여든다. 우버는 미연방항공청FAA, 파트너들과 협력하여 수천 대의 항공기를 안전하게 분산시키고 신뢰할 수 있는 도착 출발 시간을 유지할 수 있는 시스템을 개발할 계획이다.

우버가 그들의 기존 비즈니스에서 승차공유에 대해 이미 알고 있는 것을 기반으로 그들은 출발 수직이착륙 비행장에 도착하는 승객들, 도착 비행장에서 출발하는 승객들을 쉽게 예측할 수 있다. 최대한의 활용도를 구축하려면, 항공기가 착륙 상태에 있고 승객들이 내리고 오를 때 재충전이 이뤄져야 한다.

매우 빠른 재충전이 가능하도록, 우버는 차지 포인트Charge Point 사의 자동차 충전 전문가들과 함께 협력하고 있다. 차지 포인트 사는 특수한 충전 유닛을 개발했는데, 이 유닛은 모든 우버 엘리베이트 항공기에 의무화될 수 있는 산업 표준 어탭터에 연결된다. 이 인터페이스는 4개의 병렬 스트림을 통해 800볼트에서 2000암페어를 전달한다. 또한 차량을 통해 수집된 데이터를 다운로드하고 진단 데이터 인터페이스를 지원하며 초당 1리터의 냉각수를 공급하여 고속 충전 중에 배터리 시스템을 냉각시킨다.

수직이착륙 비행장에 신속한 이착륙을 가능하게 하는 핵심 효소는 항공교통관리시스템이다.

미연방항공청, 그 외 참여자들과 협력하여 우버는 고도 4000피트까지의 각 지역 항공편에 대한 새로운 종류의 초정밀 항공교통통제시스템을 개발하는 데 도움을 주고 있다. 이러한 시스템 하에서 모든 항공기들은 다른 모든 항공기들과 중앙통제 시스템에 정확한 위치, 속도 및 고도를 지속적으로 알려줄 것이다.

항공교통관리 시스템을 최대한 활용하기 위한 우버의 장기적 목표는 인간 조종사를 없애는 것이다. 따라서 앞서 언급된 파일럿 관리 역할은 미연방항공청이 자율 운영을 인증함에 따라 결국 단계적으로 사라지게 될 것이다. 현재로서는 임시적인 단계일 뿐이다.

이를 위해 우버는 보잉Boeing의 자회사 오로라 플라이트 시스템스 Aurora Flight Systems와 협업 팀을 구성했다. 자율 운영 시스템이 도입되면 ‘인적 오류’라는 취약한 부분이 제거되고, 페이로드(여객기의 승객·우편·수하물·화물 등의 중량의 합계. 유료하중有料荷重이라고도 한다) 증가로 인한 수익이 커지며, 인간 조종사의 급여비용까지 사라진다. 이 시스템은 2023년까지 충분히 가능할 것으로 예측된다. 다만 미연방항공청이 인간 조종사를 완전히 대체하도록 승인하는 데 훨씬 시간이 더 오래 걸릴 수도 있다. 이러한 생태계 시스템의 창조자인 우버는 미연방항공청, 기타 규제 기관과 협력하여 항공교통관리 시스템, 전기 수직이착륙 항공기, 수직이착륙 비행장, 배터리 및 충전 시스템에 대한 일련의 인증 프로세스를 만들고 있다. 우버는 좌석을 확보하고 조종사 비용까지 없애 총 비용을 1마일당 0.75달러에서 0.44달러까지 낮추는 것을 최종 목표로 하고 있다.

현재까지 우버는 오로라 카렌Aurora Karem, 피피스트렐Pipistrel, 엠브라에르Embraer, 벨Bell 등 총 5개의 기업을 항공기 비즈니스 파트너로 지정했다.

보잉의 자회사 오로라는 24개의 팬을 사용하는 전기 수직이착륙 프로토타입을 제작했다. 이것은 독일의 릴리움이 선호하는 디자인 형태다. 라이트닝 스트라이크Lightning Strike로 명명된 이 프로토타입은 이미 미국 고등연구계획국Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA, 미 공군US Air Force의 테스트를 완료했고, 두 기관이 현재 활용성을 평가받고 있다. 우버와 오로라의 파트너십은 사실 모든 우버 호환 항공기에 사용될 ‘로봇 파일럿’의 표준을 구축하는 데 집중되어 있다.

엠브라에르와 벨은 이 분야에 있어 터줏대감들이다. 이들은 다양한 범위의 항공기를 이미 제작해왔다. 벨은 헬리콥터의 등장 이후부터 수직이착륙 분야 기술 선두 주자였고, 엠브라에르는 비즈니스, 통근 제트 비행기 시장에서 매우 강력한 위치에 서 있는 기업이다.

카렘Karem과 피피스트렐Pipistrel은 우버의 가장 큰 도전 과제를 해결해주는 기술 전문성을 갖춘 선두 신생 기업이다. 특히, 피피스트렐은 전기 구동 항공기를 대량 생산하고 판매하는 유일한 회사다. 또한 이들은 수직이착륙 항공기의 프로토타입을 제작하고 이를 대량생산하는 시스템을 구축하기 위해 노력하고 있다.

카렘의 설립자는 미 제너럴 오토믹스General Automics 사가 무인 드론 프레데터Predator를 제작하는 데 사용한 기술을 개척했고, 현재 카렘은 틸트 로터 수직이착륙 애플리케이션에 최적화된 새로운 초능률, 가변 속도 로터 기술에 대한 독점권을 보유하고 있다. 2018년 우버 엘리베이트 컨퍼런스에서, 우버와 카렘은 버터플라이Butterfly로 명명된 프로토타입 항공기를 선보였다. 버터플라이는 오늘날의 최첨단 배터리를 사용하여 60마일을 비행할 수 있으며, 배터리 수명이 다하는 상황(완충 기준 최대 용량이 80퍼센트까지 떨어질 때)에서도 부여된 임무를 수행하는 데 충분한 에너지를 갖추고 있다. 물론 버터플라이가 반드시 우버 엘리베이트의 지배적 디자인이 될 것이라는 의미는 아니다. 버터플라이는 이미 수면에 부상하고 있는 항공기의 기술적 과제에 대한 하나의 솔루션일 뿐이다.

우버 엘리베이트는 다양한 파트너들의 역량을 활용함으로써 산업 지도를 바꿀 플랫폼 비즈니스를 처음부터 새로 만드는 과정에서 발생하는 광범위한 도전 과제들을 체계적으로 해결하고 있다. 이것은 특정 문제에 대한 실행 가능한 솔루션일뿐 아니라 분산된 가치 창출 네트워크를 향한 더 광범위한 추세를 반영하고 있다.

이러한 새로운 산업의 등장에 대해 우리는 다음과 같이 3가지의 미래를 예측할 수 있다.

첫째, 우버 엘리베이트는 2020년에 로스앤젤레스, 달라스, 그 외 도시에서 시험을 시작할 것이다.

이 테스트는 아마도 6개 도시에서 각각 두 가지 비행장Skyport 형태로 시작될 것이며 우버에게는 플랫폼을 제공할 수 있는 기회를, 파트너사들에게는 하드웨어, 소프트웨어, 표준 운영 절차를 테스트할 수 있는 기회를 제공할 것이다. 여러 항공기 프로토타입들의 동시 배치, 비행장 구성들과 함께, 이 네트워크는 소음, 승하차 시간, 충전, 항공교통관리 정밀도에 대한 목표를 달성하는 방법을 빠르게 학습할 것이다. 물론 승객이 없는 상태에서 엄격하게 소수의 운행 테스트가 진행될 것이다. 제한된 규모와 기술 상황, 높은 기대감으로 인해 적어도 2020년 말에 이르러서야 이러한 단계가 진행될 것이다.

둘째, 우버 엘리베이트는 2023년 혹은 2024년에 제한적인 상업용 테스트를 시작할 것이다.

우버와 그 파트너들은 2023년에 상업용 테스트에 진입하는 것을 목표로 하고 있다. 다만 교통 문화 변화에 대해 긍정적 반응을 보이는 도시를 선택함으로써, 처음부터 정책 때문에 막히게 될 위험을 최소화할 것이다. 2018년 우버 엘리베이트 컨퍼런스에서, 규제 당국의 분위기는 고무적이었다. 테스트 단계에서 중대사고가 발생하지 않는다고 가정하면, 이 시스템의 제한적인 상업용 테스트는 못해도 2024년말에 시작될 수 있다. 물론 이는 늘어나는 항공기 이용 인구를 충족하기 위한 항공기 대량생산과 정확한 항공교통관리 시스템을 필요로 하므로 가장 위험한 단계이기도 하다.

셋째, 우버가 파트너사들의 기술에 적용하고 있는 표준은 안전을 보장하기 위해 먼 길을 걸을 것이다.

전기 추진 표준은 시스템의 복잡성, 운항 중 화재, 비행장 화재에 따른 실패를 최소화하기 위해 마련된 것이다. 초기에 인간 조종사를 활용하는 것은 시스템이 오작동하는 경우 사람이 개입할 수 있도록 한 것이다. 모든 항공기에 낙하산이 장착되고, 비상사태에 대비한 자동 회전 기능 장착에 대한 기본 조건 사항은 실패가 치명적인 결과를 가져올 수 있기에 그러한 가능성을 최소화하기 위함이다. 우버 엘리베이트가 명문화한 표준 규정은 이를 요약한 것이다.

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References List :

1. Uber Elevate Summit 2018:
https://www.uber.com/info/elevate/summit/

2. Kirsten Korosec. Fortune. April 25, 2017. Startup ChargePoint Will Provide the Juice for Uber’s Electric Flying Cars.
http://fortune.com/2017/04/25/uber-flying-cars-chargepoint/

3. Kia Kokalitcheva. Fortune. October 27, 2016. Uber Hopes Flying Cars Are the Future of Transportation.
http://fortune.com/2016/10/27/uber-aircraft-future/

4. The Trends Editors. Trends. November 14, 2015. Urban Mobility Takes Off.
https://audio-tech.com/trends-magazine/urban-mobility-takes-off/

5. The Trends Editors. Trends. September 15, 2016. The Flying Taxi Experience May Be Here Sooner Than Expected.
https://audiotech.com/trends-magazine/flying-taxi-experi-ence-may-sooner-expected/

6. The Trends Editors. Trends. June 24, 2017. On-Demand Personal Aviation Takes Off.
https://audiotech.com/trends-magazine/demand-personal-aviation-takes-off/

Building an Economic Ecosystem for Urban Air Mobility
 
Every day, millions of hours are wasted on the road worldwide. The average San Francisco resident spends 230 hours annually commuting between work and home ?that works out to half a million hours of productivity lost every single day. In Los Angeles and Sydney, residents spend seven “working weeks” each year commuting, two of which are wasted unproductively stuck in gridlock. In many global megacities, the problem is even more severe; for example, the average commute in Mumbai exceeds 90 minutes. For all of us, that’s less time with family, less time at work growing our economies, more money spent on fuel?and a marked increase in our stress levels. A study in the American Journal of Preventative Medicine, for example, found that those who commute more than 10 miles were at increased odds of elevated blood pressure. In many U. S. cities including Seattle, San Jose, Los Angeles, Dallas, Houston, Chicago, and New York, commutes have become an enormous economic drain and cause of personal stress.

In a 2015 research paper, a NASA scientist named Mark Harmon concluded that this “commute time” could be reduced dramatically using air vehicles that flew over traffic. And, his vision fit well with the ride-sharing “demand model” pioneered by Uber and Lyft.

This immediately resonated with the Trends editors. Over 30 years ago, they identified the idea of Personal Air Vehicles, also known as “flying cars,” as a compelling solution that would evolve into a game-changing industry. The challenge was to create an economically viable business model by harnessing a suite of evolving digital technologies. Like the Trends editors, top management at Uber, immediately saw the enormous transformational potential embodied in Harmon’s concept.

So, Uber hired Harmon and created a business unit called Uber Elevate to address the opportunity. At the same time, a German company called Lillium has launched its own effort also based on the ride-sharing model.

The monumental challenge Uber and Lillium both face can be summarized as “delivering a safe, cost-effective, reliable, and quiet aerial commuting solution using technologies and infrastructure that are available in the near-term.” Overcoming this challenge this involves an amazing number of “chicken and egg” dilemmas that can be boiled down to one harsh reality: “No one is willing to invest the capital and manpower needed to create the regulatory, infrastructure, vehicular, energy delivery, and marketing assets needed for this new industry, unless there is a high probability that the other necessary components will be in place to make the complete system economically viable.” That means that all parts of the complex ecosystem needed for success, have to be put in place on day-one.
On this basis, Uber Elevate took on the role of “ecosystem hub,” with the mission of defining the industry roles and standards which Uber and other companies will fill based on their core competencies. The idea is to have a variety of air vehicles operating from standardized vertiports, or “Skyports,” and providing a standardized interface to end-users.

To enable this, the ecosystem will harness a wide range of technologies evolving in other contexts that can be applied to this industry. These range from sensor networks, to high-density quick-charge batteries, to ultralightweight composites.  

Today, the main challenge facing Uber Elevate is to help a wide range of partners to create solutions that fit seamlessly into the broader industry framework and to develop standards that will enable companies to focus on delivering real-world solutions to tough problems quickly, with minimal trial and error.
 
A range of business partners are taking charge of all the roles under the headings:
 
- Aircraft Management,
- Pilot Management,
- Skyport Management,
- Power & Electric Management,
- Skyport Operations, and
- Communications Infrastructure Management.

In addition to building the digital platform for the system, called Elevate Cloud Services, Uber’s primary function will be helping its partners fill the many ecosystem roles by helping them work with regulators and each other.

Uber’s third important role is to take the lead in the development and manufacture of batteries and battery management systems optimized for the Urban Air Mobility market. For this purpose, Uber recently hired Tesla’s top battery design and manufacturing executive to create battery systems that are as cost-effective as possible for the rapid charge/discharge environment of electric-VTOL aircraft. Why? Because the reliability, energy density, and energy transfer demands of electric-VTOL aircraft are dramatically greater than those of the nearest analog, which is electric cars.

The second annual Uber Elevate Conference held in Los Angeles on May 8 and 9, 2018 gave the Trends editors s chance to see how Uber Elevate is going about resolving its myriad competing challenges. As we learned, it’s best to think of the urban aerial ride-sharing industry as a complex, but solvable, linear programming model. Within this model each set of “constraint equations” represents a specific business challenge.

The first challenge for Uber is determining the “customer-facing characteristics” of the new Uber Elevate system; those are the aspects that determine the “user experience.” They include speed, price, reliability and aesthetics. The two existing models for getting around the city are the helicopter model and the personal car model. Uber assumed that at the cost and speed of today’s helicopter services, which is $8.93 per passenger-mile, the new offering would attract the same number of users as helicopters. Coupling the speed of a helicopters with the cost of a personal automobile, which is $0.49 per passenger-mile, would attract nearly all the people taking trips of 30 minutes or more, who now take automobiles. These two points on the demand-curve form the starting point for more comprehensive analysis that involves determining demand and the kind of network required to satisfy that demand.

The next challenge is to figure out how many people want to go from point A to point B during each hour of each week of the year. It starts with a few underlying assumptions, such as:

1. People will want to go to the same places they go now.

2. They’ll desire the same arrival times.

3. They might want to go to additional places if they could get there in a fraction of the time it now takes.

4. The new generation of urban aerial vehicles will move at the speed of today’s helicopters or faster.  

5. People are willing to adopt the new solution if it provides a much quicker door-to-door travel time. And,

6. People will use conventional ground transportation (like walking or taking an Uber car) to a departure vertiport and from the destination vertiport to their final destination.

Given these and other reasonable assumptions, Uber is combining official traffic data with Uber’s own experience, to determine exactly where vertiports would be optimally located.

The second challenge, described by another set of equations, involves determining the full costs of flying each passenger. These costs involve the ground transportation we mentioned earlier, as well the costs of energy, vertiport operations, aircraft operations, and system overhead. Vertiports of specific sizes have projectable fixed and variable operating costs. The aircraft costs will include fixed costs, such as acquisition, as well as the variable costs of energy used, maintenance, and pilots, if any. There is also the cost of the administrative and systems overhead.

The actual cost per passenger-mile depends on the utilization rate. And this transportation system will only become a profitable business, once the average total revenue per passenger-mile exceeds the average total cost per passenger-mile. That means utilization rates are critical.

Variable pricing algorithms like those already in use by Uber will help match demand to capacity constrained by available aircraft and vertiports. In other words, peak prices at peak volumes will prevent excess wait times during “rush hour,” while bargain pricing in the middle of the night will keep the system “busy” 24/7. And, of course, off-peak periods will permits idle vehicles to undergo the maintenance that ensures airline-like safety.

An additional challenge is to fine-tune the placement of vertiports based on utilization management. That is, determining how many vehicles each vertiport location needs in order to provide targeted service-levels within a given time interval. Obviously, the number and types of vertiports, constrained by a combination of geography, technology and regulation will influence what can be delivered and what the pricing will look like.

Notably, the vertiport constraints are playing a major role in defining Uber’s targeted aircraft configurations. For instance, one early decision Uber had to make was whether their network would support internal combustion, hybrid-electric, and/or electric-only aircraft. They chose to exclusively support electric-only aircraft for six vertiport-driven reasons:

1. City fire codes make storage and handling of the liquid fuels needed for internal combustion engines or fuel cells prohibitively expensive in elevated vertiport sites.

2. Non-vertiport refueling would unacceptably lower utilization because of the time required for the empty aircraft to travel back and forth to a refueling site.

3. The danger of onboard fire due to the liquid fuels needed for internal combustion engines or fuel cells represents a much higher risk than battery fires.

4. Meeting required noise targets with existing internal combustion engines would be very difficult. Helicopters average 85 dB at 500 feet, Uber is targeting 70 dB.

5. Electric VTOL vehicles using today’s state-of-the-art battery technology can already meet the weight and recharging targets necessary to achieve high utilization and light weight. Uber has initiated a program to provide a solution for its partners that achieves 300 Wh/kg at the pack level, while state-of the-art is now roughly 200 Wh/kg. And,

6. Vertiports in most locations can readily access electrical capacity needed for during a 10-minute unloading/reloading cycle; and this will only improve as electrical infrastructure and battery technology evolves.

Another challenge is the unprecedently precision requirements placed on the new Air Traffic Management system. Today’s air traffic control system is designed for conventional airplanes with landing and take-offs at traditional airports. Aside from airports, the airspace in which commuter helicopters operate today is essentially low density and uncontrolled. Transponders tell other aircraft the locations of these aircraft, and the small number of aircraft can maintain wide separations. But, in the new world of aerial ride-sharing, thousands of aircraft will operate within Dallas, California’s Bay Area, or Los Angeles, converging on scores of vertiports. Uber plans to work with the FAA and its partners to develop a system that keeps these thousands of aircraft safely separated and timed for reliable arrival and departure.

Based on what Uber already knows about ride-sharing from its existing business, it can readily predict the arrival of passengers at the departure vertiport and their departures from the arrival vertiport. To achieve maximum utilization, recharging takes place when the aircraft is on the ground and passengers are unloading and reloading.

To enable very fast recharging, Uber is working with automotive recharging experts at Charge Point. Charge Point has developed a special recharging unit that plugs into a proposed industry-standard adapter that could be mandated for all Uber Elevate aircraft. The interface delivers 2000 amperes at 800 volts via four parallel streams. It also downloads data collected by the vehicle, supports a diagnostic data interface and delivers one liter per second of chilled water to cool the battery systems during high-speed charge.

A key factor enabling rapid take-off and landing at the vertiports is the Air Traffic Management system alluded to earlier. Working with the FAA and other entities, Uber is helping to develop a new kind of ultraprecise Air Traffic Control system for local flights at altitudes of up to 4000 feet. Under such a system, every vehicle would continuously report its exact position, velocity and altitude to every other aircraft and to a centralized control system.

To make optimal use of the Air Traffic Management system, Uber’s longer-term objective is the eliminate human pilots. So, the Pilot Management roles identified earlier, represent a temporary stop-gap that will eventually be phased out as autonomous operation is certified by the FAA.

To this end, it has teamed up with Aurora Flight Systems, a subsidiary of Boeing. This will eliminate the element of “human error,” increase the revenue-generating payload, and eliminate the salary costs of the pilot. And while this system is likely to be fully functional by 2023, The FAA may take much longer to permit it to fully replace human pilots. As creator of the eco-system, Uber has taken it upon itself to work with the FAA and other regulatory agencies to put in place a set of regulatory certification processes for the Air Traffic Management system, the Electric-Vertical Take-off & Landing aircraft, and the Vertiports, as well as batteries and recharging systems. Uber estimates that freeing up a seat in the vehicle and eliminating pilot-related costs will enable total costs to fall from $0.75 per passenger-mile to a final target of $0.44 per passenger-mile.
 
To date, Uber has designated 5 aircraft business partners: Aurora Karem, Pipistrol, Embraer, and Bell.
 
Boeing’s Aurora subsidiary is listed as an aircraft partner. Aurora has created an electric-VTOL protype using 24 highly redundant fans; a type of design favored by Germany’s Lillium. The protype called Lightning Strike has already completed tests for DARPA and the U.S. Air Force, which are evaluating its usefulness. However, Aurora’s Partnership with Uber is primarily focusing on creating the standardized “robot pilot” to be used across all Uber-compliant aircraft.
Embraer and Bell are naturals for this space because they make a wide range of aircraft. Bell has been a leader in VTOL technology since the advent of helicopters, while Embraer has successfully fought its way into a very strong position in both the business and commuter jet markets.
Karem and Pipistrol are pioneering start-up companies with technology expertise that addresses several of Ubers’s biggest aircraft-related challenges. Specifically, Pipistrol is the only company now making and selling electric-powered aircraft in volume; it is also prototyping a VTOL aircraft and working to scale up its manufacturing volume.
 
The founder of Karem, pioneered the technology General Atomics used to create the Predator drone and the company owns exclusive rights to a new super-efficient, variable-speed rotor technology optimized for tilt-rotor VTOL applications. During the 2018 Uber Elevate Conference, Uber and Karem revealed a protype aircraft, called Butterfly, which can fly 60 miles using today’s state-of the art batteries, while still having enough energy to fly the its required “reserve mission” at the battery’s “end of life” state of 80% of original capacity. That doesn’t mean that Butterfly will necessarily become the dominant design for Uber Elevate, it simply means that there is at least one solution to the aircraft technology challenge that already works.
 
By harnessing the competencies of a wide range of partners, Uber Elevate is systemically solving the wide range of challenges involved in creating a game-changing platform-business from scratch. This not only represents a viable solution to this specific problem, but reflects a broader trend toward decentralized value creation networks.

Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.

First, Uber Elevate will begin tests in Los Angeles, Dallas and other cities in 2020.

These tests will probably start with as few as two Skyports in each of up to 6 cities. This effort will simply provide a platform for Uber and it’s partners to test hardware, software and standard operating procedures. With development in parallel of several aircraft designs and vertiport configurations, the network will rapidly learn how to meet targets for noise, loading & unloading times, recharging, and Air Traffic Management precision, while working with a very small number of trips without passengers. Because of the limited scale, the status of the technology, and the widespread enthusiasm, we expect this phase to launch by year-end 2020 at the latest.

Second, Uber Elevate will begin limited commercial trials in 2023 or 2024.  

Uber and its partners are targeting commercial trials in 2023. By choosing cities with different cultures, it minimizes the risk that it will get bogged down in local politics. At the Uber Elevate 2018 conference, the tone of regulators was encouraging. Assuming no serious accidents happen during the testing phase, limited commercial trials of the system could definitely begin by year-end 2024. This will be the riskiest step as it requires flawless mass-produced aircraft and a real precision air traffic management system to handle a growing population of aircraft.

Third, the standards Uber is imposing upfront on partner technology will go a long way toward ensuring safety.

Its all-electric propulsion standard minimizes failures due to system complexity, as well as the chance of onboard fires or fires in the vertiport. The initial use of onboard pilots will provide human intervention if any systems malfunction. And the requirement that all aircraft come equipped with ballistic parachutes or autorotation capability for emergency situations minimizes the chance that a failure will end in a fatality. The full list of published standards for Uber Elevate is summarized on pages 22 and 23. And,
 
Fourth, the globally Urban Air Mobility industry could grow to at least $150 billion a year by 2035.

Just as someone in 1908, would have had trouble imagining the vast automobile ecosystem of 1925, it’s hard to imagine an the enormous UAM ecosystem we’re likely to see in just 17 years. If we think back to the companies that composed the personal computer ecosystem in the early 80s, Uber may be seen playing a role much like IBM played, with companies like Microsoft and Intel acting as crucial partners. Companies like Boeing, Bell and Embraer don’t want to be left behind, and companies like Karem, Pipistrol and Charge Point see this as their big opportunity. Perhaps Lillium will be the Apple of the UAM revolution. Only time will tell.

References
1. Uber Elevate Summit 2018:

https://www.uber.com/info/elevate/summit/

2. Kirsten Korosec. Fortune. April 25, 2017. Startup ChargePoint Will Provide the Juice for Uber’s Electric Flying Cars.

http://fortune.com/2017/04/25/uber-flying-cars-chargepoint/

3. Kia Kokalitcheva. Fortune. October 27, 2016. Uber Hopes Flying Cars Are the Future of Transportation.

http://fortune.com/2016/10/27/uber-aircraft-future/

4. The Trends Editors. Trends. November 14, 2015. Urban Mobility Takes Off.

https://audio-tech.com/trends-magazine/urban-mobility-takes-off/

6. The Trends Editors. Trends. September 15, 2016. The Flying Taxi Experience May Be Here Sooner Than Expected.

https://audiotech.com/trends-magazine/flying-taxi-experi-ence-may-sooner-expected/

7. The Trends Editors. Trends. June 24, 2017. On-Demand Personal Aviation Takes Off.

https://audiotech.com/trends-magazine/demand-personal-aviation-takes-off/