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Le Monde selon la Physique ( Physics world w 50)

Publié le 10 décembre 2013 par 000111aaa

J’ai quelque chose d’intéressant à vous proposer en physique expérimentale  et ceci découle de ma découverte des applications des divers effets thermoélectriques ou thermoïoniques possibles lors de ma thèse de doctorat .

Faire une école d’ingénieur  et/ou suivre des cours théoriques  en Université  ne donnait pas dans les années 50 toujours des idées très « fraiches » sur les outils de la pauvre physique française renaissante de ce temps ….Donc j’arrivais en thèse avec des outils désuets ,à savoir les thermomètres !Et quelle ne fut ma surprise   d’avoir en doctorat  à commencer à choisir puis fabriquer les diverses sortes de THERMOCOUPLES  convenables pour les gammes de température que j’avais à étudier  ( J.CUEILLERON était en « spécialiste » des hautes températures ) ;je rappelle que l’effet thermoélectrique ou thermoïonique  consiste à utiliser  le «  caractère   nomade » des électrons des métaux … Par exemple lorsqu’ ils sont chauffés , ils « sortent » du métal ( effet thermoïonique entre deux métaux semblables ) ou lorsqu’on les soude l’un a l’autre ( effet de thermopile entre deux métaux différents)  , les électrons d’un métal se révèlent  plus vagabonds que  ceux de l’autre  !

Voici donc la traduction de l’article que je vous propose cette semaine :

…”New generator creates electricity directly from heat”

 newswire

Le Monde selon la  Physique  (  Physics world w 50)

New generator creates electricity directly from heat

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Thermionic device solves the "space-charge problem

Un nouveau type de générateur thermo-ionique qui transforme la chaleur ou la lumière en énergie électrique  vient d’être développé par des chercheurs en Allemagne et aux États-Unis . Le nouveau design permet de surmonter le «problème de charge d'espace " qui a  sévi dans les tentatives précédentes pour développer des dispositifs pratiques . Le dispositif se montre environ quatre fois plus efficace que les générateurs précédents et la nouvelle technologie pourrait trouver une utilisation dans une large gamme d’applications, y compris l'énergie solaire et la recueil  de  toute chaleur résiduelle .

Les générateurs thermoïoniques convertissent la chaleur ou la lumière en un courant électrique en utilisant la différence de température entre deux plaques métalliques qui sont séparés par un vide. Une première plaque "à chaud" est chauffée soit par une  lumière incidente ou  une conduction thermique , ce qui provoque une évaporation des électrons à partir de sa surface. Ces électrons se condensent alors sur la surface de la  2ème plaque froide . Cela crée une différence de charge entre les deux plaques , ce qui peut conduire à un courant électrique utilisable.

Parce qu'ils convertissent la chaleur ou la lumière directement en énergie électrique ,les générateurs thermoïoniques ont un potentiel considérable pour des applications pratiques . S'il est utilisé dans les centrales électriques fonctionnant au charbon , par exemple , ces convertisseurs thermoïoniques seraient , en principe , plus efficaces que les turbines à vapeur . Des générateurs thermoïoniques pourraient également être appliqués dans  toute une variété d'applications à faible température, comme la collecte de l'énergie solaire ou le recyclage de la chaleur perdue dans les moteurs de voitures .

Le problème de la charge d'espace

Bien que ce potentiel pour une conversion d'énergie hautement efficace ait été connu depuis la fin des années 1950 , les applications pratiques ont été sévèrement limitées par ce qu'on appelle le problème de la charge d'espace . Pour des plaques séparées par plus d'environ 3-5 um , la charge négative portée par  le «nuage» d'électrons qui se forme dans l'espace inhibe les électrons émis ultérieurement par la plaque chaude . Cela pose effectivement une limite à l' écoulement des électrons entre les2 plaques. Réduire l'écart entre les plaques aiderait , mais réaliser  un générateur avec des plaques qui arrivent à  maintenir une séparation de moins de 3 pm à des températures élevées est extrêmement difficile .

Photo du générateur thermo-ionique à haute température: voir plus haut

Chaud et froid

Les efforts précédents effectués pour résoudre le problème de la charge d'espace ont consisté principalement a une insertion d’ ions césium impliqués dans l'espace entre les deux plaques . Les ions positifs agissent pour neutraliser une partie de la charge  délinquante , permettant ainsi à plus d'électrons à être libérés de la plaque chauffante . Bien que cette approche ait été utilisée dans les réacteurs nucléaires légers de TOPAZ  dont certains ont alimenté les satellites soviétiques , il en résultait une baisse de la puissance de sortie d'environ 50 % .

Récemment, Jochen Mannhart de l'Institut Max Planck ( Solid State Research )à Stuttgart - avec des collègues à l'Université d'Augsbourg et à l'Université de Stanford - a mis au point une nouvelle façon de résoudre le problème de la charge d'espace en créant un champ électrique dans l'espace entre les plaques. Ce champ accélère d'abord les électrons quittant la plaque chauffante et les ralentit alors à l'approche de la plaque froide . Le nuage de charge est donc déplacé le long du trajet et ne repousse pas les électrons ultérieurs – cela permettant un courant continu . Le champ lui-même est créé par une grille en nid d'abeilles à motifs avec des trous hexagonaux . Les électrons sont alors guidés à travers les trous par application d'un champ magnétique entre les plaques.

Un rendement de 40% pourrait être possible

" Les générateurs thermoïoniques pratiques ont atteint des rendements d'environ 10 % . Les prédictions théoriques pour nos propres générateurs thermoïoniques atteignent environ 40 % », explique Mannhart . Ce résultat incorpore également l'énergie nécessaire pour créer le champ électrique .

Mannhart et ses collègues estiment que la commercialisation de leur conception pourrait prendre plus de 5-20 ans , selon que la demande concerne la haute température ou la basse température . Pour ces derniers, Mannhart dit qu’une optimisation du convertisseur serait nécessaire.

Nicolas Melosh de l'Université de Stanford , qui n'a pas participé à cette étude , décrit ce travail comme une «nouvelle technique intelligente " pour régler le problème de la charge d'espace , ajoutant que "  comme un développement doit encore être mené , ce principe pourrait créer de nouveaux dispositifs pour convertir les déchets ou de la chaleur solaire produite en électricité utile » .

Un renouveau de la triode planaire

Neil Fox de l'Université de Bristol au Royaume-Uni souligne que ce nouveau générateur présente des similitudes avec une conception de la triode plane testée à l'Institut de technologie du Massachusetts ( MIT ) dans les années 1950 . Cette conception précédente avait souffert de l'énergie perdue  causée par des collisions entre électrons et la diffusion . " [ Mannhart et collègues ] ont mis au point une structure triode verticale plutôt soignée qui vise à améliorer l’ancien dispositif MIT , en incorporant au faisceau un collimateur comme dans les concepts similaires à ceux utilisés dans les accélérateurs de particules », explique Fox . « Les données présentées montrent que cette ... triode magnétique est une amélioration significative sur une diode fermé interligne , mais suggère que les collisions électron-électron et la diffusion des pertes à la porte y sont toujours présents . "

L'équipe travaille actuellement à accroître l'efficacité de sa conception du générateur de deux façons . Tout d'abord, il est construit des convertisseurs haute performance a partir des technologies de semi-conducteurs existants . Deuxièmement, il y a  une optimisation de ses électrodes à travers l'utilisation de nouveaux matériaux, notamment des oxydes , et de la nanotechnologie .

Le travail est décrit dans le Journal de l'énergie durable et renouvelable .

À propos de l'auteur :Ian Randall est un écrivain de science basée en Nouvelle-Zélande

  3 commentaires non traduits

Mon commentaire :  Je reproche encore une fois  AUX AUTEURS   leur précipitation à publier sans avoir terminé le travail .L ‘approche théorique sur la charge d’espace dans les lampes radio n’est plus à faire .  Il reste donc à optimiser géométrie astucieuse et matériaux nouveaux pour finaliser un produit industriel et ça, ça peut prendre des ANNEES comme avoué dans le texte !

Cliquez pour le reste  sur votre plat d’anglais  au choix !

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