Das reicht aber noch nicht. Wenn die Elektronen im gleichen Metallstück wieder zurück driften, dann fließt noch kein Strom. Aber man kann den Elektronen ein zweites Metallstück mit einem schwächeren Seebeckeffekt als Rückweg zur heißen Seite anbieten. Dort driften zwar auch die Elektronen von heiß nach kalt, aber viel weniger als in dem anderen Metall. Im Endeffekt sammeln sich damit tendenziell mehr Elektronen auf der kalten Seite als auf der heißen und man hat eine nutzbare elektrische Spannung.
Der Seebeck-Effekt funktioniert um so besser, um so besser die Elektronen durch das Metall fließen können und um so größer der Temperaturunterschied ist. Das ist ein echtes Problem. Denn hohe Leitfähigkeit für Strom geht auch mit hoher Wärmeleitfähigkeit einher. Stromgeneratoren die mit dem Seebeck-Effekt arbeiten sind deswegen nicht sehr effizient, typisch sind Werte von 6% +/- 2%. Der ganze Stromgenerator sieht dann so aus:
Aus der Tabelle von Radioisotopenbatterien von der Wikipedia sticht hier aber ein Modell heraus. Nicht nur, weil es mit einem Stern markiert ist, sondern auch weil es eine Effizienz von etwa 28% aufweist. Wie haben die das gemacht?
Stirling-Motoren
Das S in ASRG (genauere Beschreibung) steht für den Stirling Motor, der zur Energieerzeugung genutzt wird. Ein Motor ist leider keine so elegante Lösung wie ein Thermoelement, weil er bewegliche Teile hat. Bewegliche Teile bedeutet Reibung und Reibung bedeutet Verschleiß. Man hofft dennoch, den Motor im Weltraum ohne Wartung für 17 Jahre laufen lassen zu können. Allerdings wurde die Entwicklung des ASRG vor zwei Jahren zu Einsparmaßnahmen in der NASA gestrichen. Das ist äußerst Schade, wo doch der ASRG mit einem Viertel oder Fünftel der Menge Plutonium auskommen würde.
Der Stirling Motor unterschiedet sich von anderen Motoren dadurch, dass er von außen geheizt und gekühlt wird. Es findet keine Verbrennung im Inneren statt, was ihn für den Einsatz mit einer Hitzequelle wie einem Radioisotopengenerator ideal macht. In der Hinsicht funktioniert er wie eine Dampfturbine. Tatsächlich gibt es auch wenigstens einen Vorschlag für die Nutzung von Dampfturbinen in der Raumfahrt, eine Effizienz von 10% macht ihn aber im Vergleich wenig reizvoll. Aber es gibt noch andere Möglichkeiten.
Thermophotovoltaik
Die Stromerzeugung bei der Thermophotovolatik beruht zunächst auf den gleichen physikalischen Prinzipien wie die normale Photovoltaik. Der Unterschied ist die Wellenlänge. Anstatt von sichtbarem Licht, wird die Photozelle auf die Nutzung von Infrarotlicht optimiert. Theoretisch könnte man damit eine Effizienz über 50% erreichen, braucht dafür aber eine glühend heiße Wärmequelle. Im wahrsten Sinn des Wortes. Das Infrarotlicht für die Photozellen ist das Glühen der Wärmequelle.
Die hohe Effizienz kann man erreichen, weil nicht jeder glühende Körper eine Schwarzkörperstrahlung aussenden muss, wie es etwa die Sonne tut. Normalerweise wird das emittierte Licht eines heißen Körpers über große Teile des elektromagnetischen Spektrums verteilt, was es schwer macht die unterschiedliche Energie der Photonen effizient zu nutzen.
Mit geschickter Auswahl der Materialien die zum Glühen gebracht werden sollen (zum Beispiel Wolfram) oder speziell bearbeiteten Oberflächen, kann man das Emissionsspektrum verändern und auf einen kleineren Wellenlängenbereich begrenzen. Das dann ausgesendete Licht hat eine viel kleinere Entropie und kann auch mit vergleichsweise einfache Photozellen effizient umgewandelt werden. Mehr dazu habe ich letztes Jahr in meinem alten Blog geschrieben. auch wenn die Heizquelle dort keine Radioisotopenbatterie, sondern konzentriertes Sonnenlicht war. Übrigens entkommt man auch hier nicht der Notwendigkeit der Kühlung. Denn um so heißer die Photozellen werden, um so ineffizienter werden sie.
Die Vorteile liegen auf der Hand: Hohe Effizienz und keine beweglichen Teile. Der Nachteil der hohen Temperatur macht die Sache aber technisch zu einer großen Herausforderung. Nicht nur müssen alle Teile die Temperaturen aushalten, zumindest beim Start müsste man die Wärmequelle wohl zunächst in einem anderen Behälter aufbewahren, der sich nicht zu stark aufheizt.
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