Een nieuw type generator – ontwikkeld door onderzoekers van het Max Planck-instituut voor vastestoffysica in Stuttgart, de universiteit van Augsburg (D) en van de Amerikaanse Stanford-universiteit zet warmte of licht direct om in elektriciteit. Deze zogeheten thermoionische generator zou, met zijn theoretische rendement van 40%, zo’n vier keer efficiënter zijn dan soortgelijke generatoren nu halen.
Thermionische generatoren zetten licht of warmte direct op in elektrische energie en niet via de tussenstap van een stoomturbine. Dat doen ze door een temperatuurverschil tussen twee metalen te gebruiken die gescheiden zijn door een vakuüm. De warme plaat wordt dan verwarmd door invallend licht of infraroodstraling. Daardoor maken zich elektronen los uit het metaaloppervlak. Die migreren dan naar de koude plaat, waardoor er een spanningsverschil ontstaat. Et voilá.
Juist die directe omzetting is, zoals dat met een zwaar besmet woord heet, een uitdaging. In principe zijn thermoionische generatoren efficiënter dan systemen die de tussenstap van een stoomturbine nodig hebben zoals in alle ‘normale’ krachtcentrales (of ze nou orden ‘gestookt’ door kolen, gas of kernenergie). Daarnaast werken thermoionische systemen ook bij relatief lage temperaturen zoals die voorkomen bij zonnecollectoren of afvalwarmte.
Dat is de theorie. In de praktijk zijn thermoionische generatoren nog niet verder gekomen dan een armzalige 10% rendement. Bij twee platen op zo’n 3 tot 5 μm (1 µm is 1 duizendste millimeter) vormt de negatieve ‘elektronenwolk’ in de spleet een barrière voor elektronen uit de warme plaat om de overgang te maken. De spleet kleiner maken helpt, maar om twee platen op een afstand van minder dan 3 µm (0,000003 m) te plaatsen is nog niet eenvoudig.
Vroeger heeft men geprobeerd dat probleem op te lossen door cesiumionen in de spleet te plaatsen bij wijze van ‘neutraliseerders’, maar dat verlaagt de capaciteit van het systeem. In Sovjetsatellieten werd dit systeem toegepast in de lichtgewicht TOPAZ-kernreactoren, maar door het gebruik van de cesiumionenen daalde het vermogen met 50%.
Nu hebben onderzoekers rond Jochen Mannhart van het Max Planckinstituut voor vastestoffysica in Stuttgart een nieuwe methode bedacht om het ‘spleetprobleem’ op te lossen door een elektrisch veld tussen de platen te creëren. Daardoor worden de elektronen uit de warme plaat naar de koude toe gedreven en ontstaat er geen tegenhoudende elektronenwolk in de spleet. Het elektrische veld wordt gegenereerd in een honingraatstructuur met zeskantige gaten.
Volgens Mannhart is daarmee een rendement van 40% haalbaar. In dat getal is ook de energie verwerkt die nodig is voor het extra elektrische veld. Volgens de onderzoeker duurt het nog wel vijf tot zelfs twintig jaar voor het systeem op de markt zal komen, afhankelijk of het een hoge- of lagetemperatuurtoepassing betreft. In het laatste geval zal er nog wel het een en ander aan de generator moeten worden versleuteld.
Neil Fox van de universiteit van Bristol wijst er op dat deze generator lijkt op het ontwerp van het MIT in Cambridge (VS) uit de late jaren 50. Dit ontwerp had te kampen met veel energieverlies door botsende elektronen en verstrooiing. “Deze onderzoekers hebben een fraaie verticale triodestructuur bedacht die het MIT-ontwerp moet verbeteren, maar ik denk toch dat ze niet van dat probleem af zijn.” De onderzoekers werken aan verbetering door onder meer andere materialen voor de platen te gebruiken, met name oxides, en door nanotechnologie.
Bron: Physics World