¿Por qué los RTG son tan ineficientes?

Recientemente aprendí cómo un "sándwich" de tipo n y tipo p con diferentes propiedades térmicas puede crear una diferencia de potencial en presencia de un gradiente de temperatura. La corriente subsiguiente puede alimentar la electrónica básica (en el rango de decenas a cientos de vatios), siempre que exista una fuente de calor decente, como un isótopo radiactivo en un RTG.

Dado que esto es completamente de estado sólido, parece preferible a otros medios de calor a electricidad desde un punto de vista de mantenimiento. Pero, ¿por qué son tan ineficientes en comparación con las centrales nucleares que utilizan turbinas? ¿Qué mecanismos específicos producen una ineficiencia general de RTG de 3-7% frente a una eficiencia de planta de energía nuclear de, digamos, 45%? ¿Cuál es la limitación fundamental en la eficiencia de RTG?

Esta pregunta podría ser más adecuada para la física.SE (o algún otro sitio SE) en lugar de la exploración espacial específica.
Utilizan generadores termoeléctricos. Esos son ineficientes por las razones discutidas aquí: physics.stackexchange.com/q/481303/223601
@StarfishPrime todas las preguntas sobre la eficiencia del motor también tienen que ver con la física y, sin embargo, las respondemos aquí porque a algunos usuarios les gusta responderlas y hacer un buen trabajo. "Más adecuado" nunca es una razón cercana. Este es el tema aquí y, por lo tanto, no debe cerrarse.

Respuestas (1)

Aquí hay una breve respuesta ya que algunas personas están tratando de cerrar la pregunta y evitar respuestas:

Como @ikrase señala las respuestas a la pregunta de Physics SE ¿ Por qué la eficiencia del efecto Peltier / Seebeck es tan baja en dispositivos prácticos? son útiles aquí.

Brevemente, hay dos partes principales en la eficiencia de conversión de un RTG

Límite termodinámico

La fracción de la energía térmica que teóricamente se puede convertir en energía eléctrica se denomina eficiencia de Carnot . esta dado por η = ( T h o t − T C o yo d ) / T h o t . Por ejemplo, el MHW-RTG tiene temperaturas frías y calientes de 1273 K y 573 K, con η de 0,55.

Ahora bien, ¿por qué en un planeta frío o en el espacio el lado "frío" está tan caliente? Eficiencia de radiación que escala como T 4 . ¡ Es difícil irradiar calor si no estás caliente tú mismo!

Límite de propiedades del material

Las limitaciones de los materiales termoeléctricos , como se analiza en profundidad en las respuestas a la pregunta vinculada de Physics SE, son actualmente la mayor fuente de ineficiencia.

La necesidad de tener baja conductividad térmica y simultáneamente alta conductividad eléctrica; tiene que ser un buen aislante térmico y al mismo tiempo un buen conductor eléctrico. Los semiconductores pueden caer en esta categoría general, pero desafortunadamente los materiales útiles no entran lo suficientemente lejos en esta categoría para ser altamente eficientes.

Una pequeña extensión de @Uwe:

Desafortunadamente la conductividad térmica y eléctrica están relacionadas, ambas dependen del movimiento de electrones libres. Por lo tanto, el aluminio y el cobre son buenos conductores tanto para el flujo eléctrico como para el térmico. Si hay un material con buen aislamiento térmico, el movimiento de electrones libres debe ser muy bajo, por lo que este material podría no ser un buen conductor eléctrico.

Referencias:

Relacionado aquí en Space SE:

¡Lo marqué cuando tenías tu texto de respuesta de marcador de posición! Absolutamente diría que su respuesta ahora es excelente. Sin embargo, si la pregunta en sí es mejor aquí o en el intercambio de pila de física, diría que está en debate.
En realidad, después de una mayor reflexión, estoy de acuerdo en que esta pregunta es sobre el tema de este intercambio de pila. Me retracté de mi voto cerrado.
@MarkOmo gracias! ya lo sé, pero hubo 4 votos cerrados y un quinto habría cerrado la publicación de respuestas, así que agregué un marcador de posición. Tardó 45 minutos, más de lo que esperaba. Escuché (buscando la información ahora) que hay algún tipo de período de gracia de 4 horas para agregar respuestas a preguntas recién cerradas o retenidas, pero nunca lo he probado.
Desafortunadamente la conductividad térmica y eléctrica están relacionadas, ambas dependen del movimiento de electrones libres. Entonces, el aluminio y el cobre son buenos conductores para ambos. Un semiconductor con mejor conductividad eléctrica probablemente no sea un mejor aislante térmico.
@Uwe ese es un punto muy importante; no dude en agregar una nueva respuesta o editarla en esta respuesta, ¡ gracias!
@Uwe para metales definitivamente es el caso, pero según el cuadro 8 (página 14), aquí los semiconductores pueden ser conductores eléctricos mucho peores y al mismo tiempo mantienen una conductividad térmica similar a algunas aleaciones metálicas. La diferencia entre los semiconductores y la cerámica u otros aislantes es simplemente la brecha de banda; los materiales con banda prohibida más baja tendrán algunos portadores térmicamente activados en la banda de conducción, mientras que los materiales semiconductores con banda prohibida más alta (por ejemplo, cuarzo, diamante) se comportan como aislantes a temperatura ambiente.
Podemos ver todos los metales caer en la línea etiquetada λ = C / ρ mi , (tiene pendiente negativa porque el eje vertical es la conductividad y el horizontal es la resistividad) Así que me pregunto 1) qué está pasando en los semiconductores que pueden mantener una conductividad térmica moderada pero tienen una conductividad eléctrica mucho más baja y 2) por qué todavía es necesario utilícelos en RTG y no en metales.
¿Por qué los RTG son tan ineficientes?
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