Thermionische stroomomvormer, ook wel thermionische generator, thermionische stroomgenerator of thermo-elektrische motor genoemd, een klasse van apparaten die warmte rechtstreeks in elektriciteit omzet met behulp van thermionische emissie in plaats van deze eerst in een andere vorm van energie te veranderen.
Een thermionische omvormer heeft twee elektroden. Een daarvan wordt op een voldoende hoge temperatuur gebracht om een thermionische elektronenzender te worden, of 'hete plaat'. De andere elektrode, die een collector wordt genoemd omdat deze de uitgezonden elektronen ontvangt, werkt bij een aanzienlijk lagere temperatuur. De ruimte tussen de elektroden is soms een vacuüm, maar wordt normaal gesproken gevuld met een damp of gas onder lage druk. De thermische energie kan worden geleverd door chemische, zonne- of nucleaire bronnen. Thermionic converters zijn solid-state apparaten zonder bewegende delen. Ze kunnen worden ontworpen voor een hoge betrouwbaarheid en een lange levensduur. Zo zijn thermionische omzetters in veel ruimtevaartuigen gebruikt.
Emissie van elektronen uit een kookplaat is analoog aan de vrijmaking van stoomdeeltjes bij verhitting van water. Deze geëmitteerde elektronen stromen naar de collector en het circuit kan worden voltooid door de twee elektroden met elkaar te verbinden door een externe belasting, weergegeven als een weerstand in de figuur. Een deel van de thermische energie die wordt geleverd om de elektronen vrij te maken, wordt direct omgezet in elektrische energie, terwijl een deel van de thermische energie de collector verwarmt en moet worden verwijderd.
Ontwikkeling van thermionische apparaten
Al in het midden van de 18e eeuw merkte Charles François de Cisternay Du Fay, een Franse chemicus, op dat elektriciteit kan worden geleid in de gasvormige materie - dat wil zeggen plasma - naast een gloeiend heet lichaam. In 1853 meldde de Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel dat er slechts een paar volt nodig was om elektrische stroom door de lucht tussen platina-elektroden met hoge temperatuur te sturen. Van 1882 tot 1889 ontwikkelden Julius Elster en Hans Geitel uit Duitsland een afgedicht apparaat met twee elektroden, waarvan er één kon worden verwarmd terwijl de andere werd gekoeld. Ze ontdekten dat bij vrij lage temperaturen elektrische stroom vloeit met weinig weerstand als de hete elektrode positief wordt opgeladen. Bij matig hogere temperaturen stroomt de stroom gemakkelijk in beide richtingen. Bij nog hogere temperaturen stromen elektrische ladingen van de negatieve elektrode echter met het grootste gemak.
In de jaren 1880 vroeg de Amerikaanse uitvinder Thomas Edison een octrooi aan met betrekking tot thermionische emissie in een vacuüm. In zijn patentaanvraag legde hij uit dat een stroom van een verhitte gloeidraad van een gloeiende elektrische lamp naar een geleider in dezelfde glazen bol gaat. Hoewel Edison de eerste was die dit fenomeen openbaarde, dat later bekend werd als het Edison-effect, deed hij geen poging het te exploiteren; zijn interesse om het elektrische lichtsysteem te perfectioneren had voorrang.
In 1899 definieerde de Engelse natuurkundige JJ Thomson de aard van de negatieve ladingsdragers. Hij ontdekte dat hun verhouding van lading tot massa overeenkwam met de waarde die hij voor elektronen vond, waardoor er een beter begrip ontstond van de grondslagen van thermionische emissie. In 1915 stelde W. Schlichter voor om het fenomeen te gebruiken voor het opwekken van elektriciteit.
Aan het begin van de jaren dertig had de Amerikaanse chemicus Irving Langmuir voldoende begrip van thermionische emissie ontwikkeld om basisapparaten te bouwen, maar tot 1956 werd er weinig vooruitgang geboekt. Dat jaar beschreef een andere Amerikaanse wetenschapper, George N. Hatsopoulos, in detail twee soorten thermionische apparaten. Zijn werk leidde tot snelle vooruitgang in de conversie van thermionische energie.
Omdat thermionische converters tolerant zijn voor hoge acceleratie, geen bewegende delen hebben en een relatief grote verhouding tussen vermogen en gewicht vertonen, zijn ze zeer geschikt voor sommige toepassingen in ruimtevaartuigen. Het ontwikkelingswerk is gericht op systemen om elektrische energie te leveren via een kernreactor aan boord van een ruimtevaartuig. Ze kunnen efficiëntie leveren in het bereik van 12 tot 15 procent bij temperaturen van 900 tot 1.500 K (ongeveer 600 tot 1.200 ° C of 1.200 tot 2.200 ° F). Aangezien deze omvormers het beste functioneren bij hoge temperaturen, kunnen ze uiteindelijk worden ontwikkeld voor gebruik als afvulapparatuur in conventionele energiecentrales voor fossiele brandstoffen. Hun momenteel beschikbare efficiëntie maakt ze tot geschikte stroombronnen voor terrestrische toepassing in bepaalde afgelegen of vijandige omgevingen.
