Termoelektriline muundur, mida nimetatakse ka termionaalseks generaatoriks, termionaalseks elektrigeneraatoriks või termoelektriliseks mootoriks, mis tahes tüüpi seadmetest, mis muudavad soojuse otse elektrienergiaks, kasutades termilist emissiooni, selle asemel, et seda kõigepealt mõneks muuks energiavormiks muuta.
Termoenergiamuunduril on kaks elektroodi. Üks neist tõstetakse piisavalt kõrgele temperatuurile, et saada termioonseks elektronide emitteriks ehk “kuumplaadiks”. Teist elektroodi, mida nimetatakse kollektoriks, kuna see võtab vastu emiteeritud elektrone, töötab oluliselt madalamal temperatuuril. Elektroodide vaheline ruum on mõnikord vaakum, kuid tavaliselt täidetakse see madala rõhu korral auruga või gaasiga. Soojusenergiat võivad tarnida keemilised, päikeseenergia või tuumaallikad. Termioonmuundurid on tahkis-seadmed, millel pole liikuvaid osi. Neid saab konstrueerida suure töökindluse ja pika tööea jaoks. Seega on paljudes kosmoseaparaatides kasutatud termioonmuundureid.
Elektrienergia eraldumine kuumal plaadil on analoogne auruosakeste vabastamisega vee kuumutamisel. Need kiirgatud elektronid voolavad kollektori poole ja vooluahela saab lõpule viia, ühendades kaks elektroodi välise koormusega, mis on joonisel näidatud takistina. Osa soojusenergiast, mida elektronide vabastamiseks tarnitakse, muundatakse otse elektrienergiaks, samal ajal kui osa soojusenergiast soojendab kollektorit ja see tuleb eemaldada.
Termiooniseadmete arendamine
Prantsuse keemik Charles François de Cisternay Du Fay märkis juba 18. sajandi keskpaigas, et punase kuuma kehaga külgnevas gaasilises aines - st plasmas - võib elektrit juhtida. Aastal 1853 teatas prantsuse füüsik Alexandre-Edmond Becquerel, et kõrge temperatuuriga plaatinaelektroodide vahel õhu kaudu elektrivoolu juhtimiseks on vaja vaid mõnda volti. Aastatel 1882–1889 töötasid Julius Elster ja Saksamaa Hans Geitel välja suletud seadme, mis sisaldas kahte elektroodi, millest ühte sai kuumutada, samas kui teist jahutati. Nad avastasid, et üsna madalatel temperatuuridel voolab elektrivool väikese takistusega, kui kuum elektrood on positiivselt laetud. Mõõdukalt kõrgematel temperatuuridel voolab vool mõlemas suunas kergesti. Isegi kõrgematel temperatuuridel voolab negatiivse elektroodi elektrilaeng kõige kergemini.
1880. aastatel taotles Ameerika leiutaja Thomas Edison patenti, mis käsitles termilise emissiooni vaakumis. Oma patenditaotluses selgitas ta, et vool suundub hõõguva elektrilaterna kuumutatud hõõgniidist samas klaaskehas asuvasse juhi. Kuigi Edison avaldas selle nähtuse, mida hiljem hakati nimetama Edisoni efektiks, esimesena, ei üritanud ta seda ära kasutada; ülimuslik oli tema huvi elektrilise valgustussüsteemi täiustamise vastu.
Inglise füüsik JJ Thomson määratles 1899. aastal negatiivse laengu kandjate olemuse. Ta avastas, et nende laengu ja massi suhe vastas elektronide väärtusele, mis andis alust mõista termioonilise emissiooni põhialuseid. 1915. aastal tegi W. Schlichter ettepaneku kasutada seda nähtust elektrienergia tootmiseks.
1930. aastate alguseks oli ameeriklasest keemik Irving Langmuir põhiseadmete ehitamiseks piisavalt mõistnud termioonide emissiooni, kuid aastani 1956 oli edusamme tehtud. Sel aastal kirjeldas teine Ameerika teadlane George N. Hatsopoulos üksikasjalikult kahte tüüpi termionilisi seadmeid. Tema töö viis termoenergia muundamise kiire arenguni.
Kuna termioonmuundurid on suure kiirenduse suhtes tolerantsed, neil pole liikuvaid osi ja nende võimsuse ja kaalu suhe on suhteliselt suur, sobivad need hästi kosmoselaevade mõneks rakenduseks. Arendustöö on keskendunud süsteemidele, mis pakuvad elektrienergiat kosmoselaeva pardal olevast tuumareaktorist. Need võivad pakkuda tõhusust vahemikus 12 kuni 15 protsenti temperatuuril 900 kuni 1500 K (umbes 600 kuni 1200 ° C või 1200 kuni 2200 ° F). Kuna need muundurid töötavad kõige paremini kõrgetel temperatuuridel, võib neid lõpuks välja töötada kasutamiseks tavapärastes fossiilkütusel töötavates elektrijaamades lisavarustusena. Nende praegu saadav tõhusus muudab need sobivateks energiaallikateks maapealseks rakenduseks teatud kauges või vaenulikus keskkonnas.
