termionisk strømgenerator

I en termionisk strømgenerator oppstår strømmen ved å varme opp en elektrode til en temperatur på mellom 1200 og 2000 grader celsius, der den termioniske effekten forårsaker at elektroner sendes ut og beveger seg til en kald elektrode (se figuren). Den varme elektroden kalles en emitter og den kalde en kollektor siden den varme sender ut elektroner og den kalde samler dem opp.

Elektrodene befinner seg i et vakuumrør med en tynn gass av cesiumatomer. De slår løs elektroner fra cesiumatomene slik at atomene blir ladd. Det oppstår dermed et tynt plasma av ioniserte cesiumatomer i røret. Apparatet gir typisk en strøm på noen ampere per kvadratcentimeter.

Termioniske strømgeneratorer kan brukes som strømkilder med en spenning på mellom 0,5 og 1 volt og har virkningsgrad mellom 5 og 20 prosent.

For ulike materialer kreves forskjellig energi for å frigjøre elektroner fra materialet. Denne energien kalles løsrivningsarbeidet og betegnes ofte med W. Jo mindre løsrivningsarbeidet er, desto lettere er det å frigjøre elektroner fra materialet, og jo større strøm kan en få for en gitt temperatur.

Virkningsgraden til en termionisk strømgenerator er proporsjonal med W_V – W_K , der W_V og W_K er løsrivningsarbeidet for henholdsvis den varme og kalde elektroden. For at generatoren skal fungere, må løsrivningsarbeidet for materialet i den kalde elektroden være mindre enn for den varme. Et vanlig krav er at løsrivningsarbeidet for den kalde elektroden er under én elektronvolt. De fleste materialer har langt større løsrivningsarbeid. Kobber for eksempel, har et løsrivningsarbeid på 4,5 eV. Så det er en utfordring å lage et materiale med et løsrivningsarbeid på under 1 eV. Det er produsert nitrogendopet diamant med løsrivningsarbeid på 1,4 eV.

Den termioniske effekten øker med temperaturen. For å få en fungerende termionisk strømgenerator må den varme elektroden ha en temperatur på rund 1500 grader. Det innebærer et merkbart varmetap til omgivelsene og senker virkningsgraden.

Gode emittere må være laget av materiale som har lang levetid med høy temperatur og et løsrivningsarbeid på rundt 2 eV. Tungsten impregnert med ulike oksider har vært brukt.

En utfordring i konstruksjonen av termioniske strømgeneratorer er at når elektroner sendes ut fra den varme elektroden, blir den positivt ladd. Dermed trekker den til seg elektroner som er sendt ut fra den. Det oppstår en sky av negativ romladning som reduserer strømmen. Det er derfor viktig å få transportert bort skyen av elektroner fra den varme elektroden. Det har vært prøvd ut flere metoder for å få til dette.

Konseptet for den første termioniske strømgeneratoren ble foreslått av den tyske fysikeren Wolfgang Schlichter i 1915. Men det var først i 1950-årene at praktisk anvendbare termioniske strømgeneratorer ble bygget. På denne tiden begynte USA og Russland å utforske muligheten av å konstruere termioniske strømgeneratorer til bruk i romfartssammenheng. De greide å bygge generatorer med en driftstid på over ti tusen timer.

Men utover i 1970-årene ble disse utkonkurrert av andre typer termoelektriske apparater og fotoceller som omdannet lys til elektrisk energi. Utvikling av nye materialer for elektrodene ble utviklet i Russland i 1980 årene mens interessen for denne typen teknologi ikke var like stor i USA.

Det har i de siste 20 årene blitt utviklet mer effektive termioniske strømgeneratorer som ikke krever så høy temperatur i den varme elektroden, ved å blande oksygengass inn i cesiumgassen, og ved å behandle overflaten av elektrodematerialet på en måte som gjør at elektroner lettere slipper ut fra elektroden. Dette har økt virkningsgraden til opp mot 30 %.

Termioniske strømgeneratorer har vært brukt som strømkilder sammen med små energiproduserende reaktorer både i det amerikanske og russiske romfartprogrammet. Det har i de senere år vært utviklet termioniske strømgeneratorer til bruk sammen med andre måter å produsere elektrisk energi på. En fordel med termioniske strømgeneratorer er at de kan omforme termisk energi som produseres og oppfattes som energitap for eksempel i motorer, til elektrisk energi.

Men termioniske strømgeneratorer er fortsatt på utviklingsstadiet, og det gjenstår fortsatt arbeid før man har konstruert en praktisk termionisk strømgenerator som kan konkurrere med andre måter å produsere strøm på.

• elektrisk energi
• kjernekraft

• David G. Bo et al. «Thermionic Energy Conversion in the twenty-first Century: Advances and Opportunities for Space and Terrestrial Applications». Frontiers in Mechanical Engineering, Vol 3. Article 13. November 2017. Fri tilgang.