Warum sind RTGs so ineffizient?

Ich habe kürzlich erfahren, wie ein "Sandwich" vom n-Typ und vom p-Typ mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten eine Potentialdifferenz erzeugen kann. Der nachfolgende Strom kann grundlegende Elektronik (im Bereich von Dutzenden von Hunderten von Watt) mit Strom versorgen, solange eine anständige Wärmequelle vorhanden ist, z. B. ein radioaktives Isotop in einem RTG.

Da dies vollständig in Festkörperbauweise erfolgt, scheint es anderen Wärme-zu-Strom-Mitteln aus einem Wartungs-POV vorzuziehen zu sein. Aber warum sind sie im Vergleich zu Kernkraftwerken mit Turbinen so ineffizient? Welche spezifischen Mechanismen führen zu einer RTG-Gesamtineffizienz von 3-7 % gegenüber einer Kernkraftwerkseffizienz von beispielsweise 45 %? Was ist die grundlegende Einschränkung der RTG-Effizienz?

Diese Frage ist möglicherweise besser für Physics.SE (oder eine andere SE-Site) geeignet als für die Erforschung des Weltraums.
Sie verwenden thermoelektrische Generatoren. Diese sind aus den hier diskutierten Gründen ineffizient: physical.stackexchange.com/q/481303/223601
@StarfishPrime Alle Fragen zur Motoreffizienz beziehen sich auch auf Physik, und dennoch beantworten wir diese hier, weil einige Benutzer sie gerne beantworten und gute Arbeit leisten. „Besser geeignet“ ist nie ein enger Grund. Dies ist hier ein Thema und sollte daher nicht geschlossen werden.

Antworten (1)

Hier ist eine kurze Antwort, da einige Leute versuchen, die Frage zu schließen und Antworten zu verhindern:

Wie @ikrase auf Antworten auf die Physics SE-Frage hinweist, warum ist die Effizienz des Peltier / Seebeck-Effekts in praktischen Geräten so gering? sind hier hilfreich.

Kurz gesagt, die Umwandlungseffizienz eines RTG besteht aus zwei Hauptteilen

Thermodynamische Grenze

Der Anteil der thermischen Leistung, der theoretisch in elektrische Leistung umgewandelt werden kann, wird als Carnot-Wirkungsgrad bezeichnet . Es wird von gegeben η = ( T H Ö T − T C Ö l D ) / T H Ö T . Zum Beispiel hat das MHW-RTG heiße und kalte Temperaturen von 1273 K und 573 K, mit η von 0,55.

Warum ist nun auf einem kalten Planeten oder im Weltraum die "kalte" Seite so heiß? Strahlungseffizienz, die wie skaliert T 4 . Es ist schwer , Wärme abzustrahlen, wenn man selbst nicht heiß ist!

Grenze der Materialeigenschaften

Die Einschränkungen der thermoelektrischen Materialien , die in den Antworten auf die verknüpfte Physik-SE-Frage ausführlich erörtert werden, sind derzeit die größte Quelle der Ineffizienz.

Die Notwendigkeit, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu haben; es muss ein guter Wärmeisolator und gleichzeitig ein guter elektrischer Leiter sein. Halbleiter können in diese allgemeine Kategorie fallen, aber leider fallen nützliche Materialien nicht weit genug in diese Kategorie, um hocheffizient zu sein.

Eine kleine Erweiterung von @Uwe:

Leider hängen thermische und elektrische Leitfähigkeit zusammen, beide hängen von der Bewegung freier Elektronen ab. Aluminium und Kupfer sind also gute Leiter sowohl für den elektrischen als auch für den thermischen Fluss. Wenn es ein Material mit guter thermischer Isolierung gibt, muss die Bewegung freier Elektronen sehr gering sein, daher könnte dieses Material kein guter elektrischer Leiter sein.

Verweise:

Verwandte hier in Space SE:

Ich habe es markiert, als du deinen Platzhalter-Antworttext hattest! Ich würde absolut sagen, dass Ihre Antwort jetzt großartig ist. Ob die Frage selbst hier oder im Physik-Stack-Austausch besser ist, würde ich sagen, es steht zur Debatte.
Tatsächlich stimme ich nach weiterem Nachdenken zu, dass diese Frage für diesen Stack-Austausch ein Thema ist. Ich habe meine enge Abstimmung zurückgezogen.
@MarkOmo danke! Ja, ich weiß, aber es gab 4 enge Abstimmungen und eine fünfte hätte das Posten von Antworten beendet, also habe ich einen Platzhalter hinzugefügt. Es dauerte 45 Minuten, länger als ich erwartet hatte. Ich habe gehört (suchen Sie jetzt nach den Informationen), dass es eine Art Nachfrist von 4 Stunden gibt, um Antworten auf gerade geschlossene oder gerade gehaltene Fragen hinzuzufügen, aber ich habe es nie versucht.
Leider hängen thermische und elektrische Leitfähigkeit zusammen, beide hängen von der Bewegung freier Elektronen ab. Aluminium und Kupfer sind also gute Leiter für beide. Ein Halbleiter mit besserer elektrischer Leitfähigkeit ist wahrscheinlich kein besserer Wärmeisolator
@Uwe das ist ein sehr wichtiger Punkt; Bitte zögern Sie nicht, eine neue Antwort hinzuzufügen oder diese in dieser Antwort zu bearbeiten, danke!
@Uwe für Metalle ist es definitiv der Fall, aber laut Tabelle 8 (Seite 14) können Halbleiter hier viel schlechtere elektrische Leiter sein, während sie dennoch eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit wie einige Metalllegierungen beibehalten. Der Unterschied zwischen Halbleitern und Keramik oder anderen Isolatoren ist einfach die Bandlücke; Materialien mit niedrigerer Bandlücke weisen einige thermisch aktivierte Ladungsträger im Leitungsband auf, während sich Halbleitermaterialien mit höherer Bandlücke (z. B. Quarz, Diamant) bei Raumtemperatur als Isolatoren verhalten.
Wir können sehen, wie alle Metalle auf die markierte Linie fallen λ = C / ρ e , (es hat eine negative Steigung, weil die vertikale Achse die Leitfähigkeit und die horizontale der spezifische Widerstand ist) Also frage ich mich, 1) was in Halbleitern vor sich geht, die eine moderate Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalten können, aber eine so viel geringere elektrische Leitfähigkeit haben, und 2) warum es immer noch notwendig ist Verwenden Sie sie in RTGs und nicht in Metallen.
Warum sind RTGs so ineffizient?
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