Termoelektroniikan muuntaja, jota kutsutaan myös termionaatiogeneraattoriksi, termoenergian generaattoriksi tai termoelektriseksi moottoriksi, mikä tahansa luokan laite, joka muuntaa lämmön suoraan sähköksi käyttämällä termionista säteilyä sen sijaan, että ensin muuttaa sitä muulle energiamuodolle.
Termionisessa tehomuuntimessa on kaksi elektrodia. Yksi näistä nostetaan riittävän korkeaan lämpötilaan, jotta siitä tulee termioninen elektronien emitteri tai ”keittolevy”. Toista elektrodia, jota kutsutaan kollektoriksi, koska se vastaanottaa emittoituneita elektroneja, käytetään huomattavasti alhaisemmassa lämpötilassa. Elektrodien välinen tila on joskus tyhjiö, mutta yleensä se täytetään höyryllä tai kaasulla alhaisessa paineessa. Lämpöenergia voidaan toimittaa kemiallisista, aurinko- tai ydinlähteistä. Termionimuuntimet ovat solid-state-laitteita, joissa ei ole liikkuvia osia. Ne voidaan suunnitella korkeaa luotettavuutta ja pitkää käyttöikää varten. Siksi termionimuuntajia on käytetty monissa avaruusaluksissa.
Elektronien päästöt keittolevyltä ovat analogisia höyryhiukkasten vapautumisen kanssa vettä lämmitettäessä. Nämä emittoidut elektronit virtaavat kollektoria kohti, ja piiri voidaan saada päätökseen kytkemällä kaksi elektrodia ulkoisella kuormalla, joka on esitetty kuvassa vastuksena. Osa lämpöenergiasta, joka syötetään elektronien vapauttamiseen, muunnetaan suoraan sähköenergiaksi, kun taas osa lämpöenergiasta lämmittää kollektorin ja on poistettava.
Termionisten laitteiden kehittäminen
Ranskalainen kemisti Charles François de Cisternay Du Fay totesi jo 1800-luvun puolivälissä, että sähköä voidaan johtaa kaasumaisessa aineessa - ts. Plasmassa - punaisen kuuman ruumiin vieressä. Ranskalainen fyysikko Alexandre-Edmond Becquerel kertoi vuonna 1853, että vain muutaman voltin vaadittiin johtamaan sähkövirtaa ilman läpi korkean lämpötilan platinaelektrodien välillä. Vuosina 1882-1889 saksalaiset Julius Elster ja Hans Geitel kehittivät suljetun laitteen, joka sisälsi kaksi elektrodia, joista toinen voitiin kuumentaa, kun taas toinen jäähdytettiin. He havaitsivat, että melko alhaisissa lämpötiloissa sähkövirta virtaa vähällä vastuksella, jos kuuma elektrodi on positiivisesti varautunut. Kohtuullisesti korkeammissa lämpötiloissa virta virtaa helposti kumpaankin suuntaan. Vielä korkeammissa lämpötiloissa negatiivisen elektrodin sähkövaraukset virtaavat kuitenkin parhaiten.
Amerikkalainen keksijä Thomas Edison haki 1880-luvulla patenttia, joka liittyi termioniseen säteilyyn alipaineessa. Patenttipyynnössään hän selitti, että virta kulkee hehkulampun sähkölampun lämmitetystä hehkulangasta saman lasimaailman johtimeen. Vaikka Edison paljasti ensimmäisenä tämän ilmiön, joka myöhemmin tunnetaan nimellä Edisonin vaikutus, hän ei yrittänyt hyödyntää sitä; hänen kiinnostuksensa sähkövalojärjestelmän parantamiseen tuli etusijalle.
Englantilainen fyysikko JJ Thomson määritteli vuonna 1899 negatiivisen varauksen kantajien luonteen. Hän huomasi, että niiden varaus- ja massa-suhde vastasi elektronien löytämää arvoa, mikä antoi ymmärtää termionisen säteilyn perusteet. Vuonna 1915 W. Schlichter ehdotti ilmiön käyttöä sähkön tuotantoon.
1930-luvun alkupuolella amerikkalainen kemisti Irving Langmuir oli kehittänyt riittävän ymmärryksen termionisista päästöistä peruslaitteiden rakentamiseksi, mutta vuoteen 1956 mennessä edistystä oli vain vähän. Tuona vuonna toinen amerikkalainen tutkija, George N. Hatsopoulos, kuvasi yksityiskohtaisesti kahdenlaisia termionisia laitteita. Hänen työnsä johti nopeaan edistymiseen termionisen virranmuuntamisessa.
Koska termioniset muuntimet sietävät suurta kiihtyvyyttä, niissä ei ole liikkuvia osia ja niillä on suhteellisen suuri tehon ja painon suhde, ne soveltuvat hyvin joihinkin avaruusalusten sovelluksiin. Kehitystyössä on keskitytty järjestelmiin, jotka tarjoavat sähköä ydinreaktorista avaruusaluksella. Ne voivat tarjota tehokkuuden välillä 12-15 prosenttia 900 - 1 500 K lämpötilassa (noin 600 - 1 200 ° C tai 1 200 - 2 200 ° F). Koska nämä muuntimet toimivat parhaiten korkeissa lämpötiloissa, ne voidaan lopulta kehittää käytettäväksi täyttölaitteina tavanomaisissa fossiilisten polttoaineiden voimalaitoksissa. Niiden tällä hetkellä saatavissa olevat tehokkuudet tekevät niistä sopivia virtalähteitä maanpäällisiin sovelluksiin tietyissä syrjäisissä tai vihamielisissä ympäristöissä.
