Stimmt es, dass der Minikühlschrank ein entfernter Verwandter des Atomkraftwerks ist?

Die heutige Geschichte beginnt mit einem kleinen Kühlschrank.

Es ist ein glühend heißer Sommer, eine Jahreszeit, in der man schon nach fünf Minuten im Freien stark schwitzen kann. Um bei heißem Wetter eine Dose Cola zu trinken, habe ich die stolze Summe von 68 Yuan für den Kauf eines Minikühlschranks auf Taobao ausgegeben. Es kann nicht nur kühlen, sondern im Winter auch als Heizbox dienen.

Sind die heutigen Kühlschränke so vielseitig? Wenn etwas nicht normal ist, muss etwas nicht stimmen. Ein Kühlschrank, der sowohl zum Kühlen als auch zum Warmhalten verwendet werden kann und günstig ist, ist definitiv kein richtiger Kühlschrank. Wir müssen das gründlich untersuchen!

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Sind Minikühlschränke „richtige“ Kühlschränke?

Ähm, lassen Sie mich das Ergebnis meiner Untersuchung bekannt geben: Abgesehen von der Namensgleichheit gibt es zwischen diesem Kühlschrank und unserem heimischen Kühlschrank keine nennenswerten Unterschiede im Kühlprinzip. Sie haben überhaupt nichts miteinander zu tun. Das Kühlprinzip gewöhnlicher Kühlschränke muss nicht erklärt werden. Die Kernkomponenten dieser bunten kleinen Kühlschränke im Internet sind Halbleiter-Kühlchips .

Der Halbleiter-Kühlchip sieht folgendermaßen aus:

(Bildquelle: Wikipedia)

Seine Struktur ist sehr einfach: ein kleines quadratisches Stück und zwei Drähte. Wenn der Kühlchip eingeschaltet wird, erwärmt sich eine Seite des kleinen quadratischen Chips und die andere Seite kühlt ab. Nach der Änderung der Stromzufuhrrichtung werden auch die Heizfläche und die Kühlfläche vertauscht. Ein kleiner Kühlschrank mit Halbleiter-Kühlchips kann sowohl kühlen als auch heizen.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Darüber hinaus ist die vom Halbleiterkühlschrank benötigte Spannung sehr gering und er kann über eine Powerbank mit Strom versorgt werden. Auch die meisten Autokühlschränke sind Halbleiterkühlschränke.

Der Halbleiterkühlschrank klebt zwei verschiedene Halbleitermaterialien zusammen und führt dann aus jedem Material einen Draht. Wenn der Draht während des Betriebs an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, wird Wärme von einem Material auf ein anderes übertragen, was sich auf der einen Seite als Abkühlung und auf der anderen Seite als Erwärmung bemerkbar macht.

Dieses Phänomen wird als Peltier-Effekt bezeichnet. Dieser Effekt wurde 1834 vom französischen Physiker JCA Peltier entdeckt. Peltier war ursprünglich Uhrmacher, begann jedoch im Alter von 30 Jahren mit Experimenten und Beobachtungen in der Physik. Sein Alltag besteht entweder darin, in den Alpen Wasser zum Kochen zu bringen und die Siedetemperatur des Wassers zu messen, oder daran, Wasserhosen am Meer zu beobachten und darüber nachzudenken, wie Tornados entstehen.

Doch gerade aufgrund dieser scheinbar „nutzlosen“ Maßnahmen sind viele „nützliche“ wissenschaftliche Prinzipien entstanden, deshalb sagen wir gemeinsam: Danke, Peltier!

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Thermoelektrisches Phänomen Big Three

Mit der Weiterentwicklung und Perfektionierung der Physik fassten Wissenschaftler den Peltier-Effekt und die von zwei anderen Wissenschaftlern entdeckten Effekte zusammen und bezeichneten sie kollektiv als thermoelektrisches Phänomen. Heute sind Maschinen, die diese drei Phänomene nutzen, auf der ganzen Welt verbreitet und manche davon sind sogar über die Erde hinausgedrungen (keine Sorge, nach der Lektüre werden Sie wissen, um welche Maschinen es sich handelt).

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Wer sind die drei Giganten der thermoelektrischen Phänomene?

Der Peltier-Effekt wurde bereits erwähnt. Lassen Sie mich nun den Seebeck-Effekt vorstellen: Wenn zwei verschiedene Leiter zu einer Schleife verbunden werden und die Temperaturen der Materialien auf beiden Seiten unterschiedlich sind, wird im Stromkreis ein Strom erzeugt. Dieser Effekt ist das Gegenteil des Peltier-Effekts .

Das heißt, man nimmt einen Halbleiterkühlschrank und erzeugt auf beiden Seiten einen Temperaturunterschied (z. B. indem man auf die eine Seite Eiswürfel klebt und auf die andere Seite einen Isolierbeutel legt). Dieser Halbleiterkühlschrank wird zu einem Generator, der den Temperaturunterschied zur Stromerzeugung nutzt.

Das letzte Phänomen ist der Thomson-Effekt : Wenn ein elektrischer Strom durch einen gleichmäßigen Leiter mit einem Temperaturgradienten fließt (ein Stück Eisendraht, dessen eines Ende heiß und dessen anderes Ende kalt ist), nimmt der Leiter eine bestimmte Wärmemenge auf oder gibt sie ab.

Halbleiterkühlschränke, die den Peltier-Effekt nutzen, ermöglichen uns den Genuss von Eiscola und heißem Milchtee, die Stromerzeugung hängt jedoch vom Seebeck-Effekt ab: Temperaturdifferenz + thermoelektrischer Wandler = Generator.

Während des Zweiten Weltkriegs hatten sowjetische Guerillas keine Möglichkeit, ihre Funkgeräte aufzuladen, und herkömmliche Generatoren waren sperrig und laut. Daher beauftragten sie Wissenschaftler mit der Entwicklung eines thermoelektrischen Kesselgenerators auf Basis des Seebeck-Effekts. Er unterscheidet sich optisch nicht von einem gewöhnlichen Wasserkocher, nutzt aber den Temperaturunterschied von etwa 300 Grad zwischen Lagerfeuer und Wasser zur Stromerzeugung und die Ladeleistung dieses Generators kann bis zu 6 W erreichen.

(Fotoquelle: pikabu.ru)

Später erschien der Generator TKG-3, der die Wärme von Petroleumlampen zur Stromerzeugung nutzte. Die Leute konnten ihre Radios aufladen, indem sie nachts Petroleumlampen anzündeten.

(Fotoquelle: pikabu.ru)

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Kleines „Atomkraftwerk“ – RTG

Da der thermoelektrische Generator selbst keine beweglichen Teile hat und langlebig ist, erfreut er sich in der Luft- und Raumfahrtindustrie großer Beliebtheit.

Bei der Durchführung von Erkundungsmissionen in den tiefen Weltraum kann sich das Raumfahrzeug weit von der Sonne entfernt oder in einem Schattenbereich mit starkem Lichtmangel und niedrigen Temperaturen befinden. In dieser Umgebung ist die Stromversorgung von Raumfahrzeugen ein großes Problem.

Die Lösung für dieses Problem ist der Radioisotopen-Thermoelektrische Generator , kurz RTG (RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator). RTG nutzt den Seebeck-Effekt, um die durch den Zerfall radioaktiver Isotope entstehende Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Der Stromerzeugungsprozess von RTG ist in die Phase der Nachwärmesammlung und die Phase der Stromerzeugung durch Temperaturdifferenz unterteilt. Nehmen wir als Beispiel das typische RHU/RTG: Radioaktive Elemente (Plutonium-238) setzen beim Zerfall Strahlung frei und die hochenergetischen Teilchen, aus denen die Strahlung besteht, werden blockiert und absorbiert, wenn sie mit der umgebenden Materie interagieren, und dieser Prozess erzeugt Wärme.

Das eingebaute Gerät entspricht einer Wärmequelle mit sehr lang anhaltender Wärmeentwicklung (kann über Jahrzehnte Wärme erzeugen). Dank der langlebigen Wärmequelle ist auch die Stromerzeugungskapazität von RHU/RTG sehr langlebig und stabil. Die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme kann zum Warmhalten des Raumfahrzeugs genutzt werden, wodurch zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen werden.

RHU: Radioisotopen-Heizeinheit

RTG: Radioisotopen-Thermoelektrischer Generator

(Quelle: Referenz 1)

Das auf der Sonde Voyager 2 installierte RTG (gestartet 1977, verließ 2018 die Heliosphäre und war die zweite Raumsonde, die in den interstellaren Raum eintrat) funktioniert seit 41 Jahren stabil. Auch der Marsrover Curiosity und die Landesonde Chang'e 4 sind mit RTG ausgestattet.

Das RTG am Heck des Curiosity Rovers

(Bildquelle: Wikipedia)

Natürlich kann RTG sogar die extremen Umgebungsbedingungen im Universum überwinden, sodass die extremen Bedingungen auf der Erde für das Gerät ein Kinderspiel sind.

Während der langen Polarnächte im arktischen Winter ist der Leuchtturm für seine Energieversorgung auf RTG angewiesen. Seit 1992 nutzt das US-Militär RTGs auch zur Stromversorgung militärischer Einrichtungen in der Arktis. Miniaturisierte Plutonium-238-Batterien wurden auch als Herzschrittmacherbatterien verwendet.

Mit der Entwicklung flexibler Schaltkreise und neuer Materialien wird die Leistung von Geräten, die auf der Grundlage thermoelektrischer Phänomene hergestellt werden, erheblich verbessert. Vielleicht können Smartwatches in Zukunft den Temperaturunterschied zwischen der menschlichen Haut und der Luft ausnutzen, um ausreichend Strom zu gewinnen, oder wir können durch die Implantation flexibler Halbleiter-Kühlgeräte in die Kleidung kühlende Kleidung bekommen, die auch im Sommer keine Angst hat.

Quellen:

[1] Niu Changlei, Tang Xian, Li Xin et al. Entwicklung und Perspektiven der ~(238)Pu-Isotopen-Wärme-/Stromquelle[J]. Atomenergiewissenschaft und -technologie, 2020, 54(S01):9.

[2] Cai Shanyu, He Shunyao. Überblick über die Entwicklung von Weltraum-Radioisotopenbatterien und ihre Anwendungsaussichten im neuen Jahrhundert[J]. Nuklearwissenschaft und -technik, 2004, 24(2):8.

[3] Ritz F, Peterson CE. Programmübersicht zum Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG)[C]// Luft- und Raumfahrtkonferenz. IEEE, 2004.

[4] Hammel T, Bennett R, Sievers B. Evolutionäres Upgrade für den Multi-Mission-Radioisotopen-Thermoelektrischen Generator (MMRTG)[C]// 2016 IEEE Aerospace Conference. IEEE, 2016.

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator

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