Die Thermovoltaik ist das Arbeitsgebiet der Physik, das sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie befasst. Wenn zwei unterschiedliche Metalle zusammen kontaktiert werden, entsteht ein Thermoelement. Wird die Kontaktstelle erhitzt, entsteht eine geringe elektrische Spannung mit verhältnismäßig hohen Stromwerten und ist eine unverkennbare Eigenschaft von Thermoelementen. Die elektrische Leistung eines Thermoelementes wird durch die verwendeten Materialien und durch die Temperaturunterschiede der beiden Stoffe bestimmt.

Ein Thermogenerator besteht aus einer Reihe von Thermoelementen, die miteinander kontaktiert sind. Die erzeugte Spannung ist durch Addition die Summe aller in Reihe kontaktierten Elementen.

Durch die hervorragenden Eigenschaften von flüssigem Wasserstoff mit -252 °C, der sowohl als Kühlmittel, als auch durch die Umgebungstemperatur entstehenden Vergasung als Brennstoff mit über 2000 °C Verwendung findet, wird eine relativ hohe Temperaturdifferenz erreicht und ist für die Anwendung als effiziente Primärenergie für Thermoelemente und Thermogeneratoren attraktiv.

Die höchstmögliche elektrische Leistung entsteht durch die Differenztemperatur zu -273,15 °C.

Mit bekannten Mitteln der heutigen Elektronik / Elektrotechnik können Gleichspannungen im Millivoltbereich, und insbesondere die immens hohen Stromwerte von hunderten Ampere, und weit darüber hinaus die Thermoelemente erzeugen können, nicht für im Alltag nutzbare Spannungswerten verarbeitet werden. Die Entwicklung eines geeigneten unkonventionellen Kommutatorgerätes als Hochstromwechselrichter (HSWR) mit besonderen Eigenschaften und ist ein neuartiges Bauteil, ermöglicht die Umwandlung von Gleichspannung ab 0,01 Millivolt bis 500 Volt und Gleichstrom von Kiloampere und höher, in nutzbaren Wechselstrom.

Handelsübliche Thermoelemente finden vorwiegend Anwendung als Thermometer, die Amplitude der Thermospannung ist auf einen Standardwert geeicht, oder als Sicherungselement in Gasbrennern, der durch die Gasflamme entstandene Strom hält das Magnetventil offen. In beiden Fällen handelt es sich um einen Kompromiss. Das eigentliche Thermoelement das erwärmt wird ist eine kleine Schweissstelle der beiden unterschiedlichen Metalle als Draht, die verlängert als Stromleiter dienen. Die angeschlossenen Verbraucher sind kälter, es fließt ein Strom der für die Wirksamkeit ausreicht.

Für die Erzielung höherer Leistungen sind andere Maßnahmen erforderlich. Die zwei unterschiedlichen Metalle eines Thermoelementes sind ausgewählte thermoelektrische Metalle. Die Kontaktierung durch verschiedene Verfahren, wie das Zusammenschweißen stellt eine besondere Herausforderung an Kenntnissen über die Materialeigenschaften der kristallinen Molekularstruktur.

Nach der Abkühlung der Kontaktstelle zwischen den beiden Metallen als Elektroden, ist eine ungeordnete diffuse im Millibereich breite, wenig erforschte Grenzschicht als neue kristalline Legierung entstanden, hier findet der eigentliche thermoelektrische Prozess statt, der Übergang der einseitig dominierenden Elektronendichte eines der Metalle als Elektronenstrom im Kreislauf zur Metallelektrode mit niedrigerer Elektronendichte.

Die Temperaturdifferenz wird nur zwischen diesen beiden kontaktierten unterschiedlichen Metallen gehalten, eine klare Temperaturgrenze zwischen warm und kalt im Grenzschichtbereich ist kaum erreichbar. Ein Elektronenkreislauf entsteht im System, wenn ein Stromleiter von einem Metall extern zum anderen Metall erstellt ist und der Querschnitt dieser Leitung gleich dem der realen Kontakfläche.

Die Grösse der Kontaktfläche ist ein angenommenes Mass zum Verhältnis Stromgewinn.

• Peltier-Element