Convertidor de energía termoiónica, también llamado generador termoiónico, generador de energía termoiónica o motor termoeléctrico, cualquiera de una clase de dispositivos que convierten el calor directamente en electricidad mediante la emisión termoiónica en lugar de cambiarlo primero a otra forma de energía.
Un convertidor de potencia termoiónica tiene dos electrodos. Uno de estos se eleva a una temperatura suficientemente alta para convertirse en un emisor de electrones termoiónico, o "placa caliente". El otro electrodo, llamado colector porque recibe los electrones emitidos, funciona a una temperatura significativamente más baja. El espacio entre los electrodos es a veces un vacío, pero normalmente se llena con vapor o gas a baja presión. La energía térmica puede ser suministrada por fuentes químicas, solares o nucleares. Los convertidores termiónicos son dispositivos de estado sólido sin partes móviles. Se pueden diseñar para una alta fiabilidad y una larga vida útil. Por lo tanto, los convertidores termiónicos se han utilizado en muchas naves espaciales.
La emisión de electrones de una placa caliente es análoga a la liberación de partículas de vapor cuando se calienta el agua. Estos electrones emitidos fluyen hacia el colector, y el circuito puede completarse interconectando los dos electrodos mediante una carga externa, que se muestra como una resistencia en la figura. Parte de la energía térmica que se suministra para liberar los electrones se convierte directamente en energía eléctrica, mientras que parte de la energía térmica calienta el colector y debe eliminarse.
Desarrollo de dispositivos termiónicos.
Ya a mediados del siglo XVIII, Charles François de Cisternay Du Fay, un químico francés, señaló que la electricidad se puede conducir en la materia gaseosa, es decir, el plasma, adyacente a un cuerpo al rojo vivo. En 1853, el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel informó que solo se necesitaban unos pocos voltios para conducir la corriente eléctrica a través del aire entre los electrodos de platino de alta temperatura. De 1882 a 1889, Julius Elster y Hans Geitel de Alemania desarrollaron un dispositivo sellado que contenía dos electrodos, uno de los cuales se podía calentar mientras el otro se enfriaba. Descubrieron que, a temperaturas bastante bajas, la corriente eléctrica fluye con poca resistencia si el electrodo caliente está cargado positivamente. A temperaturas moderadamente más altas, la corriente fluye fácilmente en cualquier dirección. Sin embargo, a temperaturas aún más altas, las cargas eléctricas del electrodo negativo fluyen con la mayor facilidad.
En la década de 1880, el inventor estadounidense Thomas Edison solicitó una patente relacionada con la emisión termoiónica en el vacío. En su solicitud de patente, explicó que una corriente pasa de un filamento calentado de una lámpara eléctrica incandescente a un conductor en el mismo globo de vidrio. Aunque Edison fue el primero en revelar este fenómeno, que luego se conoció como el efecto Edison, no intentó explotarlo; Su interés en perfeccionar el sistema de luz eléctrica tenía prioridad.
En 1899, el físico inglés JJ Thomson definió la naturaleza de los portadores de carga negativa. Descubrió que su relación de carga a masa correspondía al valor que encontró para los electrones, dando lugar a una comprensión de los fundamentos de la emisión termoiónica. En 1915, W. Schlichter propuso que el fenómeno se utilizara para generar electricidad.
A principios de la década de 1930, el químico estadounidense Irving Langmuir había desarrollado una comprensión suficiente de la emisión termiónica para construir dispositivos básicos, pero se hicieron pocos progresos hasta 1956. Ese año, otro científico estadounidense, George N. Hatsopoulos, describió en detalle dos tipos de dispositivos termiónicos. Su trabajo condujo a rápidos avances en la conversión de energía termoiónica.
Debido a que los convertidores termoiónicos son tolerantes a la alta aceleración, no tienen partes móviles y exhiben una relación potencia / peso relativamente grande, son muy adecuados para algunas aplicaciones en naves espaciales. El trabajo de desarrollo se ha centrado en los sistemas para proporcionar energía eléctrica desde un reactor nuclear a bordo de una nave espacial. Pueden proporcionar eficiencia en el rango de 12 a 15 por ciento a temperaturas de 900 a 1,500 K (aproximadamente 600 a 1,200 ° C, o 1,200 a 2,200 ° F). Dado que estos convertidores funcionan mejor a altas temperaturas, eventualmente pueden desarrollarse para su uso como dispositivos de cobertura en plantas convencionales de energía de combustibles fósiles. Sus eficiencias actualmente disponibles las convierten en fuentes de energía adecuadas para aplicaciones terrestres en ciertos entornos remotos u hostiles.
