Термоэмиссионные генераторы электричества

Прошёл и остался позади период бурного расцвета электронных ламп, ознаменовавший первые шаги человечества по входу в мир электрических сигналов и управлению ими.

Несмотря на то что для многих применений он остался в прошлом, даже нынешний день предоставляет им определённое пространство для применения, где одним из таковых является прямое преобразование тепла в электрический ток с высокой эффективностью…

Тем не менее, справедливости ради нельзя сказать, что электронные лампы полностью остались в прошлом — ряд усилителей, магнетроны микроволновых печей и даже генерация света любой длины волны* — для всего этого до сих пор находят применение электронные лампы.

*На основе этого принципа строят так называемые «лазеры на свободных электронах» (без какого-либо источника света внутри, кроме электронов) — электромагнитная управляющая система раскачивает из стороны в сторону электронный поток, летящий на околосветовых скоростях в безвоздушном пространстве, где электроны, смещающиеся со своей орбиты при полёте на такой скорости, излучают фотон света и, в результате этого, в зависимости от длины управляющих магнитов и их количества — можно получать когерентное излучение, то бишь лазерный свет, любой произвольной длины волны (подробнее об этом было здесь). 

В качестве излучателя электронов в подобных устройствах выступает всё та же самая, грубо говоря, «электронная лампа» — определённый вакуумированный объём с раскалённым катодом внутри.

Однако применение электронных ламп не ограничивается только этими областями — примерно с середины прошлого века активно развивается (практически параллельно с атомной энергетикой) ещё одно любопытное направление, позволяющее с высокой эффективностью преобразовывать теплоту в электрическую энергию, где КПД подобного преобразования может достигать примерно 25%*, с вырабатываемой удельной электрической мощностью порядка также 25 Вт/см², где при этом ресурс подобного преобразователя может достигать 20000 часов — и речь сейчас пойдёт о термоэмиссионном («термоэлектронном» — по зарубежной терминологии) преобразователе электрической энергии.

Что в таком преобразователе особо привлекательно: никакой механики (в силу этого сверхнадёжность), компактность, высокая мощность вырабатываемой энергии.

*Передадим дружно привет элементам Пельтье (то бишь Зеебека, так как в данный момент мы говорим о генерации от температурного градиента) с их КПД в 5-8%.

Главный принцип, лежащий в основе подобного класса устройств, заключается в том, что, в отличие от электронных ламп, где прикладывается электрический ток, за счёт чего нагревается катод и начинается вылет электронов с поверхности катода в безвоздушное пространство, — здесь же катод нагревается внешним источником тепла, в результате чего также начинается эмиссия электронов, что может быть полезным образом использовано: если замкнуть цепь, то есть катод и анод подключить к полезной нагрузке, — потечёт электрический ток, источником которого будет термоэлектронная эмиссия (но там тоже не всё так просто, об этом ещё будет ниже).

Если для начала обрисовать контуры системы, то она выглядит такой:

• Крайняя простота: всего лишь электроды в вакуумированном объёме (типичное значение вакуума находится в пределах 10^-6 … 10^-8 мм рт. ст.).

• Высокая мощность: обусловливается работой при высоких температурах (1500 °C…2000 °C) — проще говоря, при таких температурах весьма значительное количество электронов покидает поверхность катода, что обусловливает появление относительно больших токов.

• Отсутствие потребности в охлаждении анода до значительных температур (в отличие от элемента Пельтье/Зеебека): система эффективно работает даже при температуре анода «несколько ниже» чем температура катода — другими словами, анод может быть также раскалён (по человеческим меркам), но главное — чтобы он не испускал электроны навстречу.

  Таким образом, для конкретного материала(ов), из которого сделаны катод и анод, необходимо подобрать такие температуры, при которых «катод уже будет испускать электроны, а анод ещё не будет», — то есть нет никакого смысла в охлаждении анода до минусовых температур (что имело бы смысл, скажем, для элемента Пельтье/Зеебека (понятно, что в случае этого полупроводникового устройства мы говорим не о катоде и аноде как таковых, а о сторонах пластины)).

Несмотря на довольно красивый и простой принцип, на практике при реализации этого принципа сталкиваются с целым рядом проблем, где одной из первых является получение высоких температур (1500 °C…2000 °C) для нагрева катода — не случайно подобная технология электрогенерации идёт рука об руку с атомной индустрией, так как именно атомные тепловые источники позволяют обеспечить (как заявляется в литературе) весьма широкий диапазон температур, на практике ограниченный только лишь конструкционной прочностью материалов, из которых создан реактор.

Можно было бы подумать, что, узнав этот факт, имеет смысл «окончательно повесить нос», посчитав эту технологию исключительно промышленной — но это не совсем так ;-)

Дело в том, что при желании многие могут поэкспериментировать в этой области, ввиду доступности подобных температур практически для каждого!

Нет, это не шутка — и источником подобных температур является наше собственное светило, то есть солнце!

Для этого требуется построить параболический зеркальный отражатель для концентрации лучей солнца в одну точку, и тогда — заветные 2000 °C ваши:

Как выяснилось, в мире имеется огромное количество любителей подобных солнечных концентраторов, собирающихся на довольно известном для них ресурсе, где можно посмотреть и изучить множество конструкций, обменяться опытом и т. д. 

Возможно, настало время «апнуть» их тусовку, предложив новый метод электрогенерации? ;-)

В качестве альтернативного подхода люди используют пластиковые линзы Френеля большой площади (примерно 0,5 × 0,5 м и более) с аналогичным эффектом — луч от них легко плавит камни!

На базе подобного эффекта и линзы Френеля ряд лет назад один из энтузиастов даже построил 3D-принтер, решив проверить на практике, можно ли плавить песок в пустыне для создания нужных объектов.

Таким образом, мы видим, что получение высокой температуры не является проблемой при наличии желания (и даже весьма простое).

Интересно, что способ с использованием солнечных концентраторов пришёл мне в голову практически первым, ещё даже до ознакомления с литературой, и, как впоследствии оказалось, вполне обоснованно, так как в литературе подобный способ также разбирается, например, предлагается устанавливать концентратор или со специальной полостью для сбора тепла, или, окружив пятно фокуса отдельными термоэмиссионными преобразователями (на картинке СТЭП — Солнечный ТермоЭмиссионный Преобразователь):

Где при этом площадь необходимого солнечного концентратора предлагается выбирать по формуле:

Площадь концентратора = площадь катода х (плотность теплового потока на катод / удельный поток солнечной энергии х предполагаемый КПД)* 

*Пример расчёта см. на 128 стр, в книге Б.А.Ушаков, В.Д.Никитин, И.Я.Емельянов — Основы термоэмиссионного преобразования энергии.

В таком случае остаётся вторая существенная проблема — образование пространственного заряда: суть в том, что вылетевшие из катода электроны создают между электродами плотное облако, мешающее пробиться новым электронам к аноду (так как заряды с одним знаком отталкиваются) и ток между электродами почти перестаёт течь. 

С этим борются несколькими способами, одним из которых является добавление паров нерадиоактивного цезия-133 в вакуумированный объём. Цель этого действия заключается в нейтрализации ионами цезия сил электронного облака, что освобождает путь для пролёта электронов (другими словами, во время работы установки в межэлектродном пространстве наблюдается проводящая плазма).

Впервые способ с цезием был открыт ещё в 1923 году двумя учёными (Irving Langmuir, K. H. Kingdom; оригинал работы можно найти здесь), обнаружившими протекание тока между раскалённой вольфрамовой нитью и анодом, при добавлении в межэлектродный промежуток паров цезия.

Вторым альтернативным способом является уменьшение расстояния между электродами таким образом, чтобы физически почти полностью устранить пространство для образования электронного облака — в таком случае вылетевшие из катода электроны, практически не встречая сопротивления, сразу попадают в анод. 

Если используются ионы цезия, то расстояние между электродами допустимо устанавливать в районе примерно до 1 мм, так как критичность расстояния уменьшается. 

При использовании второго способа с физическим устранением пространства для электронного облака рабочее расстояние между электродами необходимо устанавливать примерно в промежутке 0,01…0,02 мм.

Очевидно, что создание и удержание таких малых расстояний, как во втором случае, представляет собой существенную инженерную проблему, так как речь идёт о сильно нагретых объектах с большим воздействием на них сил теплового расширения (что влияет на промежуток между ними). 

Для удержания такого расстояния используют как активное «подруливание» электродами с помощью приводов малого шага, например пьезо, расположенных в зоне, где на них не будет воздействовать высокая температура, так и установку проставок, например из керамики, между электродами, чтобы физически устранить возможность их касания.

Таким образом, легко можно увидеть, что первый способ с парами цезия является наиболее простым и надёжным. 

На базе подобных термоэмиссионных генераторов были созданы известные советские космические ядерные энергетические установки Енисей, Топаз и не только. 

Желающие ознакомиться более подробно с этой технологией в целом могут обратиться к достаточно развёрнутой презентации, например, вот здесь.

В целом можно сказать, что технология имеет однозначную привлекательность из-за своей относительной простоты и эффективности, однако, насколько можно судить, в настоящий момент ряд стартапов только работает в направлении доведения её до индивидуальных пользователей. Таким образом, можно сказать, что «поляна свободна», — если кто-то захочет попытать свои силы… ;-)

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»