열이온 전력변환기

열이온 장치는 진공 또는 플라스마가 채워져 있는 용기 내에서 음극을 가열하여 전자를 방출시켜 이를 차가운 양극에서 수집하는 구조로 되어 있다. 1883년에 미국의 발명가인 토머스 A. 에디슨이 열이온 방출 현상을 이용한 직접변환 장치에 대한 특허를 신청했는데, 그는 이때 이 장치의 물리적인 원리를 이해하고 있지는 않았다. 에디슨관은 효율이 매우 낮으며 탄소 필라멘트 전구에 새로운 전극이 삽입된 구조로 되어 있었다.

실용적인 열이온 변환기를 제작하려는 노력은 1950년대 중반에 이르러 시작되었는데 이 당시에 우주 탐험에 대한 열의는 열이온 변환기의 잠재력에 대한 상당한 관심을 불러일으켰다. 열이온 변환기는 심우주탐사선(深宇宙探査船)과 여러 가지의 우주선에서 사용할 수 있는 전력원으로서 특히 적합한 것으로 인식되었다. 통상의 화력기구(예를 들면 랭킨-스털링 순환 발전기)와는 달리 열이온 변환기에는 회전운동이나 왕복운동을 하는 부분이 존재하지 않으므로 자주 보수를 할 필요가 없다. 또한 열이온 기구에 공급되는 열은 태양 에너지, 화학 에너지, 원자력과 같은 어떤 형태의 열원이라도 편리하게 이용할 수 있다. 또다른 이점으로는 장치의 중량이 작은 점, 지구 중력의 30여 배에 이르는 가속도를 견딜 수 있는 점이 있다. 또한 열이온 변환기는 효율이 높기 때문에 저전력 무선송신기나 외지고 악조건인 지구 환경(예를 들면 수중 작동)에서 이용할 수 있는 에너지원으로서 적합하게 되었다.

열이온 기구에는 진공식 변환기(vacuum converter)와 기체 충전식 변환기(gas filled converter)의 2가지 주요한 형태가 있다. 진공식 변환기에서 전극 사이에 있는 진공 간극의 크기는 0.025㎜ 미만이다. 고온의 음극(1,000~2,500K)에서 발생된 기체는 이 간극을 지나서 낮은 온도의 양극에서 응축되며 이 전자들은 외부의 회로를 통하여 다시 음극으로 돌아오게 되어 전력을 공급하게 된다.

이와 같은 진공식 변환기는 제한된 분야에서만 실제적으로 이용되고 있다.

2번째 형태의 열이온 변환기인 기체 충전식 변환기에는 세슘·루비듐·칼륨과 같은 금속의 증기가 채워져 있다. 세슘 증기가 채워져 있는 열이온 변환기의 효율이 가장 좋은데 이것은 세슘의 이온화 에너지(3.87eV)가 특별히 낮기 때문이다. 전자가 음극을 벗어나면 전극 주위에 있는 세슘 이온에 의해서 발생하는 전위에 의해서 가속된다.

일부 전자는 이온의 발생을 돕지만 대부분의 전자는 거의 중성상태인 플라스마를 통과하여 에너지의 손실이 거의 없이 양극에 도달한다.