convertidor termoiónico

Un convertidor termoiónico consta de un electrodo caliente que emite electrones termoiónicamente a través de una barrera de energía potencial hacia un electrodo más frío, produciendo una salida de energía eléctrica útil. El vapor de cesio puede utilizarse para optimizar las funciones de trabajo de los electrodos y proporcionar un suministro de iones (mediante ionización superficial o ionización por impacto de electrones en un plasma) para neutralizar la carga espacial de los electrones .

Desde un punto de vista físico-electrónico, la conversión de energía termoiónica es la producción directa de energía eléctrica a partir del calor mediante la emisión termoiónica de electrones. Desde un punto de vista termodinámico , ^{[ 1 ]} es el uso de vapor de electrones como fluido de trabajo en un ciclo de producción de energía. Un convertidor termoiónico consta de un electrodo emisor caliente desde el cual los electrones se vaporizan por emisión termoiónica y un electrodo colector más frío en el cual se condensan después de la conducción a través del plasma interelectródico . La corriente resultante, típicamente varios amperios por centímetro cuadrado de superficie del emisor, suministra energía eléctrica a una carga con una diferencia de potencial típica de 0,5 a 1 voltio y una eficiencia térmica del 5 al 20 %, dependiendo de la temperatura del emisor (1500 a 2000 K) y el modo de operación. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Tras la primera demostración del convertidor termoiónico de vapor de cesio en modo arco por V. Wilson en 1957, se demostraron varias aplicaciones del mismo en la década siguiente, incluyendo su uso con fuentes de calor solares , de combustión , de radioisótopos y de reactores nucleares . Sin embargo, la aplicación más seriamente perseguida fue la integración de elementos de combustible nuclear termoiónico directamente en el núcleo de reactores nucleares para la producción de energía eléctrica en el espacio. ^{[ 4 ] [ 5 ]} La temperatura de funcionamiento excepcionalmente alta de los convertidores termoiónicos, que dificulta su uso práctico en otras aplicaciones, les confiere ventajas decisivas sobre las tecnologías de conversión de energía de la competencia en la aplicación de energía espacial donde se requiere el rechazo de calor radiante. Se llevaron a cabo importantes programas de desarrollo de reactores espaciales termoiónicos en EE. UU. , Francia y Alemania en el período 1963-1973, y EE. UU. reanudó un programa significativo de desarrollo de elementos de combustible nuclear termoiónico en el período 1983-1993.

Los sistemas de energía termoiónica se utilizaron en combinación con varios reactores nucleares ( BES-5 , TOPAZ ) como fuente de alimentación eléctrica en varios satélites de vigilancia militar soviéticos entre 1967 y 1988. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Véase Kosmos 954 para más detalles.

Aunque la prioridad para el uso de reactores termoiónicos disminuyó con la reducción de los programas espaciales de Estados Unidos y Rusia , la investigación y el desarrollo tecnológico en la conversión de energía termoiónica han continuado. En los últimos años se han llevado a cabo programas de desarrollo tecnológico para sistemas de energía espacial termoiónica calentados por energía solar. Se han desarrollado prototipos de sistemas termoiónicos calentados por combustión para la cogeneración de calor doméstico y energía eléctrica , y para la rectificación . ^{[ 8 ]}

Los aspectos científicos de la conversión de energía termoiónica se centran principalmente en la física de superficies y la física de plasmas . Las propiedades de la superficie de los electrodos determinan la magnitud de la corriente de emisión de electrones y el potencial eléctrico en dichas superficies, mientras que las propiedades del plasma determinan el transporte de la corriente electrónica desde el emisor hasta el colector. Todos los convertidores termoiónicos prácticos hasta la fecha emplean vapor de cesio entre los electrodos, lo que determina tanto las propiedades de la superficie como las del plasma. Se utiliza cesio porque es el elemento estable que se ioniza con mayor facilidad.

Un generador termoiónico es similar a una máquina térmica cíclica y su eficiencia máxima está limitada por la ley de Carnot. Es un dispositivo de baja tensión y alta corriente, donde se han alcanzado densidades de corriente de 25 a 50 A/cm² a tensiones de 1 a 2 V. La energía de los gases a alta temperatura puede convertirse parcialmente en electricidad si los tubos ascendentes de la caldera se conectan como cátodo y ánodo de un generador termoiónico, con el espacio intermedio lleno de vapor de cesio ionizado.

La propiedad superficial de interés principal es la función de trabajo , que es la barrera que limita la corriente de emisión de electrones desde la superficie y esencialmente es el calor de vaporización de los electrones de la superficie. La función de trabajo está determinada principalmente por una capa de átomos de cesio adsorbidos en las superficies de los electrodos. ^{[ 9 ]} Las propiedades del plasma interelectródico están determinadas por el modo de operación del convertidor termoiónico. ^{[ 10 ]} En el modo encendido (o "arco") el plasma se mantiene mediante ionización interna por electrones de plasma caliente (~ 3300  K); en el modo no encendido el plasma se mantiene mediante inyección de iones positivos producidos externamente en un plasma frío; en el modo híbrido el plasma se mantiene mediante iones de una región interelectródica de plasma caliente transferidos a una región interelectródica de plasma frío.

Todas las aplicaciones citadas anteriormente han empleado tecnología en la que la comprensión física básica y el rendimiento del convertidor termoiónico eran esencialmente los mismos que los logrados antes de 1970. Sin embargo, durante el período de 1973 a 1983, se llevó a cabo una investigación significativa sobre tecnología avanzada de convertidores termoiónicos de baja temperatura para la producción de energía eléctrica industrial y comercial a partir de combustibles fósiles en los EE. UU., y continuó hasta 1995 para posibles aplicaciones en reactores espaciales y navales . Dicha investigación ha demostrado que ahora se pueden obtener mejoras sustanciales en el rendimiento del convertidor a temperaturas de operación más bajas mediante la adición de oxígeno al vapor de cesio, ^{[ 11 ]} mediante la supresión de la reflexión de electrones en las superficies de los electrodos, ^{[ 12 ]} y mediante la operación en modo híbrido. De manera similar, se han demostrado mejoras mediante el uso de electrodos que contienen oxígeno en Rusia junto con estudios de diseño de sistemas que emplean el rendimiento avanzado del convertidor termoiónico. ^{[ 13 ]} Estudios recientes ^{[ 14 ]} han demostrado que los átomos de Cs excitados en convertidores termoiónicos forman cúmulos de materia de Cs-Rydberg que producen una disminución de la función de trabajo emisora ​​del colector de 1,5  eV a 1,0 – 0,7  eV. Debido a la naturaleza de larga vida de la materia de Rydberg, esta baja función de trabajo permanece baja durante mucho tiempo, lo que esencialmente aumenta la eficiencia del convertidor de baja temperatura.

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