אפקט פלטיה (Peltier Effect) (למתקדמים)

בשנת 1821, גילה הפיזיקאי ג'והן סיבק (Thomas Johann Seebeck), שכאשר מחממים צומת הנוצרת כתוצאה מחיבור בין שתי מתכות שונות, נוצר מתח חשמלי בין שתי המתכות בצד בו אינן מחוברות. תופעה זאת נקראת על שמו: אפקט סיבק (Seebek Effect).

את התופעה מנצלים בצמד החומני (Thermocouple).

בשנת 1834, גילה פלטייה (Peltier), את האפקט ההפוך לאפקט סיבק, שכאשר מזרימים זרם חשמלי דרך צומת המורכבת משתי מתכות שונות, הצומת פולטת חום, או קולטת חום מהסביבה, בהתאם לכיוון זרימת הזרם. זוהי משאבת חום יעילה, המנוצלת לקירור או לחימום במערכות טכנולוגיות. כיום משתמשים בעיקר בחצאי מוליכים(Semiconductors) במקום מתכות, ליצירת מתקני פלטייה.

ממיר תרמו-חשמלי (Thermoelectric Converter) משתמש באפקטים אלו, ליצירה ישירה של חשמל מחום, ללא חלקים נעים.

מתקן ליצירת חשמל באמצעות אפקט זה, נקרא Thermoelectric Power Generator. הדרישות ממערכת החומרים המרכיבים את המתקן הן:

  • יצירת הפרש מתח גדול.
  • התנגדות חשמלית נמוכה.
  • הולכה תרמית נמוכה.

מכיוון למתכות יש הולכה תרמית גבוהה, הן התגלו כבלתי מתאימות (נצילות הפקת החשמל לא עלתה על 2%).

התגלו חצאי מוליכים מתאימים יותר למטרת הפקת חשמל מהפרשי טמפרטורות, עד כדי 1.5 מיליוולט למעלת צלסיוס, בנצילות של 10%.

משתמשים ברוב המערכות המסחריות בעופרת טלורידית (Lead Telluride), כאשר המגמה בשנת 2012 היא לעצב את החומר שהמוליכות החשמלית תהיה גבוהה והמוליכות התרמית נמוכה. באוניברסיטת Northwestern הצליחו בשיטה זאת להגדיל את נצילות הפקת החשמל ל 8%.

המערכת נקראת:

RTG = Radioisotopic Thermoelectric Generator

במערכת זאת השתמשו בפלוטוניום 238, בצורת כדורי פלוטוניום דו-חמצני (Plutonium Dioxide), כדלק גרעיני, המתפרק תוך פליטת קרינה רדיואקטיבית, המשמשת לחימום צומת הממיר התרמואלקטרי. חומר זה פולט חלקיקי אלפא, וזמן מחצית החיים שלו הוא 87.8 שנים. בפועל הם השתמשו בהרבה צמדים חומניים (תרמוקפלים =Thermocouples) צמודים, היוצרים Thermopile.

מערכות לאספקת חשמל לפרקי זמן ארוכים, ללא צורך בתחזוקה, ניתן ליצור באמצעות חומר הפולט קרינה רדיואקטיבית לחימום הצמתים של הממיר התרמו-חשמלי.

מערכות מסוג זה שימשו לאספקת חשמל לחלליות אפולו לחקר הירח וללווינים רבים, לדוגמה:

  • החלליות פיוניר 10,11 לחקר צדק (Jupiter), בהן השתמשו ב RTG, מכיוון שכמות קרינת השמש שם קטנה יותר, ותאי שמש לא התאימו.
  • 2 חלליות וויאג'ר, שיצאו ממערכת השמש, משתמשות ליצירת החשמל במערכות RTG, ומתפקדות מזה עשרות שנים.
  • 2 חלליות הנחיתה ויקינג (Viking) שנחתו על המאדים, פעלו בתחילת שנות ה 80 של המאה ה 20 עם RTG.
  • החללית קסיני (Cassini) שיצאה בשנת 1997 לחקר כוכב הלכת שבתאי (Saturn).
  • בחללית המחקר שנחתה על המאדים – Curiosity, בשנת 2012, בה נצילות מערכת ייצור החשמל היא 4%.