ادیسون آن‌قدر کار و مشغله‌ی فکری داشت که فرصت پی‌گیری این آزمایش را پیدا نکرد و درنتیجه، توضیح آن‌چه مشاهده کرده بود به عهده‌ی دیگران افتاد. درواقع ادیسون گسیل گرمایونی، یعنی پدیده‌ی گسیل الکترون به وسیله‌ی یک رسانای گرم شده را مشاهده کرده بود بدون این که بداند چیست. اما به هر حال افتخار کشف این پدیده از آنِ ادیسون است. بعدها جان امبروز فلمینگ توانست با استفاده از «اثر ادیسون» لامپ گرمایونی بسازد، که تا زمان اختراع ترانزیستور اساس صنعت الکترونیک بود. امروزه روشن شده است که حتی بدون اعمال ولتاژ بین دو صفحه‌ی رسانایی که نزدیک به یک‌دیگرند اما با یک‌دیگر تماس ندارند، الکترون‌ها از صفحه‌ی گرم به طرف صفحه‌ی سرد جریان می‌یابند. تولید نیروی گرمایونی، یعنی تبدیل مستقیم گرما به الکتریسیته، مبتنی بر همین پدیده است.
در تولید نیروی گرمایونی از مشخصه‌ی اصلی رساناها استفاده می‌شود: در مولد رسانای الکتریسیته، تعدادی از الکترون‌ها پیوندهای ضعیفی در اتم‌ها دارند و می‌توانند آزادانه در داخل ماده حرکت کنند. در مولد گرمایونی، یا به عبارت دیگر مبدل گرمایونی، یک رسانای گرم شده (که همان کاتد است) هنگامی که با جذب مقدار معینی انرژی گرم می‌شود این «الکترون‌های آزاد» را پرتاب می‌کند. مقدار انرژی لازم در این فرایند را «تابع کار» می‌نامند. الکترون‌های پرتاب یا گسیل شده، به رسانای دیگری که در نزدیکی رسانای اول قرار دارد (آند) برخورد می‌کنند و در آن‌جا مقداری انرژی به اندازه‌ی تابع کار آند به صورت گرما از دست می‌دهند. اگر تابع کار آند کم‌تر از تابع کار کاتد باشد، الکترون‌ها انرژی اضافی خود را به صورت یک جریان الکتریکی در مداری که آند را به کاتد وصل می‌کند تخلیه می‌کنند. (برای این که مولد گرمایونی با حداکثر بازده کار کند، طراحان باید بهترین اندازه‌ها را برای چندین پارامتر پیدا و انتخاب کنند. به طور کلی باید تابع کار آند کم و دمای کاتد زیاد باشد. اما تعیین بهترین اندازه‌ها برای تابع کار و دما به عوامل دیگری از جمله دسترسی به مواد و سوخت بستگی دارد. پس از تعیین این دو پارامتر، طراحان با استفاده از فرمول پیچیده‌ای که تابعی از چندین عامل ثانویه است، تابع کار بهینه برای کاتد را محاسبه می‌کنند. اما در عمل باید برای تابع کار کاتد حدودی تعیین کرد که با حدود دماهای احتراقی که کاتد در معرض آن‌ها قرار می‌گیرد تطبیق کند. معلوم شده است که پر کردن فضای بین الکترودها با گاز سزیم، می‌تواند چنان حدودی را برای تابع کار به وجود آورد. علت این است که بخشی از سزیم روی سطح شکستنی کاتد متراکم می‌شود، به طوری که تابع کاری بین مقادیر تابع کار تنگستن و سزیم (به ترتیب چهار و نیم و یک و هشت دهم الکترون ولت) به وجود می‌آورد که مقدار دقیق آن به فشار بخار سزیم بستگی دارد. کاهش تابع کار کاتد لازم می‌سازد که تابع کار آند نیز کاهش داده شود. این تغییرات با انتخاب ماده‌ی دیگری مانند نیکل انجام می‌شود که تابع کاری در حدود یک و نیم الکترون ولت ایجاد می‌کند.)
دانشمندان تا سال‌ها بعد، نتوانستند به اهمیت این جنبه از کشف ادیسون پی ببرند. فقط پس از جنگ جهانی دوم بود که قضیه را به طور جدی پی‌گیری کردند و پژوهش درباره‌ی استفاده از تولید نیروی گرمایونی برای برنامه‌های فضایی و بعدها برای نیروگاه‌های مرکزی را آغاز کردند. تولید الکتریسیته در یک مرحله و از سیستمی که قطعات متحرک ندارد برای دانشمندان بسیار جالب توجه بود (مولدهای معمولی که در آن‌ها از بخار آب برای چرخاندن یک توربین استفاده می‌شود، شامل چندین مرحله برای تولید الکتریسیته‌اند.) البته بازدهِ مبدل‌های گرمایونی فعلی برای تولید الکتریسیته بیش از ده تا بیست درصد نیست، اما این مقدار تا حد سی تا چهل درصد قابل افزایش است. با وجود این که چنین بازدهی‌ای برای ماهواره‌ها قابل قبول است، برای نیروگاه‌ها که در حال حاضر بازدهی‌ای نزدیک به چهل درصد دارند بسیار کم است (صرف نظر از این که بازده چهل درصدی نیروگاه‌های فعلی خود رقم چندان قابل توجهی نیست). مسئولان و کارشناسان تولید نیرو معتقد بودند که می‌توان از مولدهای گرمایونی به عنوان یک سیستم تکمیلی برای افزایش کارکرد کلی تولید نیرو، در کنار نیروگاه‌های معمولی کنونی استفاده کرد. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که بهترین راه برای انجام این کار بهره‌گیری از اختلاف بین دمای احتراق سوخت مصرفی (برای مثال هزار و پانصد درجه‌ی سانتیگراد برای زغال سنگ) و دمایی است که دیگ‌های بخار می‌توانند تحمل کنند (در حدود شش‌صد درجه‌ی سانتیگراد). مبدل‌های گرمایونی در دمای حدود هزار و سی‌صد درجه‌ی سانتیگراد کار می‌کنند. بازده کلی سیستمی که از این مولدهای کمکی استفاده می‌کند تا اندازه‌ی زیادی افزایش می‌یابد، زیرا بازده به حداکثر دمایی که در آن گرما به الکتریسیته تبدیل می‌شود بستگی دارد.
در اوایل دهه‌ی 1960 میلادی اداره‌ی مرکزی تولید الکتریسیته (CEGB) در انگلستان مطالعاتی را که نشان می‌داد سیستم تکمیلی مبدل‌های گرمایونی، هم بازده نیروگاه‌های معمولی را از چهل به چهل و شش درصد افزایش می‌دهد و هم هزینه‌های تولید را به اندازه‌ی هشت درصد کاهش می‌دهد، به طور جدی بررسی و پی‌گیری کرد. از سوی دیگر، گروهی از محققان برای کار در پروژه‌ی دیگری به نام مغناطوهیدرودینامیک، که این نیز روشی برای تولید مستقیم الکتریسیته از گرما با استفاده از سیال رساناست، به کار گرفته شدند.
پروژه‌ی تولید نیروی گرمایونی به ویژه در روسیه و امریکا هم‌چنان در دستور کار محققان قرار دارد چون چنین سیستمی برای شرایط خاص نیروگاه‌هایی که در ماهواره‌ها استفاده می‌شود (مانند سبکی، قابلیت اطمینان، و نبود قطعات متحرک) بسیار مناسب است. این سیستم بازده نیروگاه‌های مدرن را نیز افزایش می‌دهد. از دیگر موارد کاربرد احتمالی این سیستم می‌توان از اتوموبیل‌های الکتریکی و سیستم‌های مرکب از گرما و الکتریسیته نام برد. اما با همه‌ی این‌ها تحقیق و مطالعه‌ی جدی درباره‌ی استفاده از تبدیل گرمایونی در نیروگاه‌های مرکزی، از حدود سه دهه‌ی پیش، پس از افزایش شدید و ناگهانی قیمت نفت در بازارهای جهانی مجدداً آغاز شد. مطالعات همه جانبه درباره‌ی امکانات عملی این طرح در امریکا و روسیه، درستی نتایج تحقیقات CEGB انگلستان را مبنی بر این که سیستم گرمایونی تکمیلی میزان الکتریسیته‌ی تولید شده به ازای مقدار سوخت معینی را افزایش می‌دهد ثابت کرد. از آن زمان، دو شرکت امریکایی به نام‌های ترموالکترون و ریزراسوشیتس چندین مبدل گرمایونی برای استفاده در نیروگاه‌ها ساخته و آزمایش کردند.
مشکل الکتریکی عمده در این فرایند این است که الکترون‌هایی که از کاتد خارج می‌شوند در فضای باریک بین دو رسانا، یا دو الکترود، یک بار منفی ایجاد می‌کنند. این «بار فضایی» سبب دفع الکترون‌هایی می‌شود که از سطح کاتد خارج می‌شوند، و درنتیجه، این الکترون‌ها در حرکت خود به طرف آند با مانع پرقدرتی رو به رو می‌شوند. بیشتر طراحان برای حل این مشکل و خنثی کردن بارهای منفی، از یون‌های مثبت سزیم در فضای بین الکترودها استفاده می‌کنند تا جریان الکترون‌ها تسهیل شود. اما فشار گاز خنثی کننده، که از یک مخزن کوچک سزیم مایع متصل به مبدل‌ها تأمین می‌شود و به وسیله‌ی قوس الکتریکی با ولتاژ کم یونیده می‌شود، بر مقدار تابع کار الکترودها نیز تأثیر می‌گذارد. افزایش فشار بخار سزیم تا فراتر از اندازه‌ی لازم برای خنثی کردن الکترون‌ها، سبب کاهش تابع کار ماده‌ی اصلی کاتد، یعنی تنگستن می‌شود. این اثر، بازده مبدل را زیاد می‌کند، به شرط این که تابع کار آند کماکان کم‌تر از کاتد بماند، چون در این صورت برای تحریک الکترون‌ها و راندن آن‌ها از سطح کاتد به انرژی کم‌تری نیاز است. اما این افزایش فشار بخار سبب زیاد شدن مقاومت داخلی مبدل و ممانعت از جریان الکترون‌ها در فاصله‌ی بین الکترودها می‌شود. برای حل این مشکل، فاصله‌ی بین الکترودها را باید تا حد امکان کم‌تر کرد (درحدود یک دهم میلیمتر) تا الکترون‌ها حداقل برخورد را با اتم‌ها (یا یون‌ها) داشته باشند.
چنین شرایطی مشکلات زیادی را در ساخت مبدل‌ها به همراه دارد، و طراحان برای پیش‌گیری از بروز این مشکلات مجبورند به شیوه‌های گوناگونی متوسل شوند. یکی از این شیوه‌ها، استفاده از دو نوع بخار است. برای مثال، استفاده از باریوم باعث کاهش تابع کار در فشارهای پایین می‌شود. در این صورت، از بخار سزیم نیز می‌توان در فشار پایین استفاده کرد. راه دیگر، اصلاح سطح تنگستنی کاتد است، به طوری که بدون نیاز به افزایش فشار بخار سزیم، تابع کار کاهش یابد. یک شرکت بریتانیایی به نام PA Technology این شیوه را آزمایش کرد و درستی آن را در عمل نشان داد.
مشکل مهندسان تولید نیرو، نصب مبدل‌های گرمایونی در دیگ بخار نیروگاه‌های معمولی (با سوخت فسیلی مانند گازوییل یا مازوت) یا در رآکتورهای نیروگاه‌های هسته‌ای است، زیرا در این دو محل، محیط برای این کار بسیار نامناسب است. دیگ بخار بدترین شرایط را دارد، چون گازهای خورنده‌ی ناشی از احتراق سوخت‌های فسیلی سطح خارجی کاتد را تا دمای حداقل هزار و پانصد درجه‌ی سانتیگراد گرم می‌کنند. این دما، کاتد تنگستنی را در مدت زمان کوتاهی که کسر کوچکی از عمر مفید یک مبدل است متلاشی می‌کند. راه حل این مسأله استفاده از مواد دیرگداز (به اصطلاح نسوز) برای حفاظت کاتد است. آلومین (اکسید آلومینیم، Al2O3) و کاربید سیلیسیم (SiC)، که با بخارهای سزیم و باریم سازگاری دارند و خورده نمی‌شوند و در برابر گازهای ناشی از احتراق نیز نفوذ ناپذیرند، مناسب‌ترین مواد برای این منظورند.
محققان CEGB نشان دادند که چگونه می‌توان یک نیروگاه معمولی را با پوشاندن لوله‌های آب دیگ بخار با دیودهای استوانه‌ای، به مبدل‌های گرمایونی مجهز کرد. در این طرح، گرما به طور شعاعی و به طرف داخل از محفظه‌ی احتراق دیگ بخار به طرف مبدل‌ها (که تولید الکتریسیته می‌کنند) جریان می‌یابد. آندهای مبدل‌ها، باقی مانده‌ی گرمای خود را به مدار عادی تولید بخار منتقل می‌کنند. در رآکتور هسته‌ای، گرما به طور شعاعی و به طرف خارج از سلول‌های سوخت جریان می‌یابد. مناسب‌ترین طرح برای یک سیستم گرمایونی در رآکتور هسته‌ای، پوشاندن میله‌های سوخت با یک کاتد تنگستنی، و استفاده از یک آند لوله‌ای ضخیم در اطراف کاتد است. ماده‌ی خنک کننده در همین لوله جاری است. در این طرح، بخار سزیم یک فضای حلقه‌وار بین کاتد و آند را پر می‌کند. موضوع دیگری که طراحان باید در این طرح درنظر داشته باشند تعبیه‌ی یک مدار خروج گاز برای محدود کردن فشار گازهای ناشی از شکافت هسته‌ای (به طور عمده آرگون و کریپتون) است، که در صورت نبودن چنان مداری می‌تواند کاتد را تغییر شکل دهد، فاصله‌ی بین الکترودها را تغییر دهد، و احتمالاً سبب اتصال کوتاه بین الکترودها بشود.
مبدل‌های گرمایونی، دستگاه‌هایی با ولتاژ کم و جریان زیادند. بنابراین طراحان باید آن‌ها را به طور سری به یک‌دیگر اتصال دهند تا بتوان ولتاژی قوی که برای تغذیه‌ی شبکه‌ی سراسری مناسب است از مبدل‌ها به دست آورد. توجه به همین نکته منجر به طراحی یک ساختار مدولی به عنوان مشخصه‌ی اصلی طرح، بدون توجه به منبع گرما، شده است. بیشتر مشکلات و مسائل طراحی یک مبدل گرمایونی برای تولید نیرو در زمین، در کاربردهای فضایی که اولویت‌های اقتصادی متفاوتی دارند، وجود ندارند. همان‌گونه که پیش‌تر اشاره شد، قابلیت اطمینان، سبکی، و وجود نداشتن قطعاتِ متحرک در کاربردهای فضایی اهمیت درجه اول دارد و مبدل‌های گرمایونی فضایی باید چنین مشخصه‌هایی داشته باشند.
محققان روس تلاش‌های خود را در زمینه‌ی پدیده‌ی گسیل گرمایونی بر کاربردهای فضایی مبدل‌های گرمایونی متمرکز کردند. این محققان مبدلی متصل به یک رآکتور هسته‌ای به نام توپاز ابداع کردند که قادر به تولید ده کیلووات توان الکتریکی بود. برخی از ماهواره‌های روس که برای بررسی و کنترل اقیانوس‌ها استفاده می‌شدند احتمالاً از این رآکتور گرمایونی استفاده می‌کردند. کارشناسان معتقدند آزمایشگاه فضایی کاسموس 954 که در سال 1978 میلادی در مدار منفجر شد از این نوع رآکتور استفاده می‌کرده است. قطعات خرد شده‌ی رآکتور کاسموس 954 در خاک کانادا پیدا شدند. مقامات امریکا و شورویِ سابق که برای همکاری تحقیقاتی در سال‌های دهه‌ی 1970 برای کاربرد مبدل‌های گرمایونی در فضا برنامه‌ریزی می‌کردند در مورد استفاده از یک رآکتور دیگر روسیه به نام روماشکا برای تأمین نیروی الکتریسیته‌ی ماهواره به توافق رسیدند؛ متأسفانه این پروژه به ثمر نرسید.
تمایل امریکایی‌ها به مولدهای گرمایونی بین زمین و فضا معلق ماند. امریکایی‌ها تا سال 1973 میلادی که برنامه‌ی فضایی آن‌ها با نخستین بحران نفتی مصادف شد چشم به فضا داشتند. اما از آن زمان به بعد، وزارت انرژی به سرمایه گذاری برای تحقیق در زمینه‌ی کاربردهای زمینی تولید نیروی گرمایونی روی آورد. در سال‌های دهه‌ی 1970 وزارت دفاع نیز به ناسا و وزارت انرژی پیوست تا در احیای فرایند تولید نیروی هسته‌ای برای کاربردهای فضایی، که شامل تجدید نظر در مورد مولدهای گرمایونی بود، مشارکت کند. این حرکت تازه نتیجه‌ی بازدیدی بود که محققان امریکایی از روسیه داشتند و در آن‌جا تحت تأثیر تلاش روس‌ها در این زمینه قرار گرفتند. تولید نیروی گرمایونی اکنون یکی از چهار سیستم مهمی است که در امریکا مورد توجه هستند؛ موتورهای دوار و پیستونی از جمله‌ی این سیستم‌ها هستند.
ناسا به طراحی و ساخت مبدل‌های هسته‌ای (که در آن‌ها گرمای مورد نیاز مبدل از واکنش‌های هسته‌ای به دست می‌آید) برای استفاده در ماهواره‌ها می‌پردازد. این پروژه چشم اندازهای خوبی دارد: مبدل‌ها در آزمایش‌های زمینی به مدت ده هزار ساعت به خوبی کار کردند. طراحان امید داشتند بتوانند با این مبدل‌ها برای پروازهای دراز مدت یک میلیون وات توان الکتریکی تأمین کنند و برای قرن حاضر که مدت پروازهای عادی هفت ساله است بتوانند مبدل‌هایی با ظرفیت تولیدی بیشتر طراحی کنند و بسازند. کاربردهای این ماهواره‌ها شامل این موارد است: مخابره‌ی مستقیم تلویزیونی، پردازش اطلاعات، تلفن ماهواره‌ای، و انواع فعالیت‌های نظامی. جالب است که برنامه‌های امریکا برای کاربرد فضایی مولدهای گرمایونی، بر اساس رآکتورهای روسی روماشکا و توپاز و نیز دستاوردهای روس‌ها در زمینه‌ی مبدل‌های سزیم-باریم پی‌ریزی گردید.
توجه و تمایل امریکایی‌ها به فضا ممکن است آن چه را که محققان پیش از این در زمینه‌ی تولید گرمایونی در زمین به دست آورده بودند در سایه قرار دهد. شرکت ترموالکترون (Thermo Electron) قبلاً یک مبدل احتراقی (در برابرِ هسته‌ای) را برای بیشتر از دوازده هزار ساعت آزمایش کرده بود. این شرکت هم‌چنین آزمایش موفقیت آمیزی در مورد اتصال سری مبدل‌ها صورت داد. این نوع آرایش مبدل‌ها شاید اساس کارخانه‌های تولید روغن‌های خوراکی را تشکیل دهند. مبدل‌های گرمایونی باید گرما را از کوره‌هایی جذب کنند که در مرحله‌ی اولیه‌ی فرایند تولید استفاده می‌شوند. مبدل‌ها با استفاده از این گرما جریان الکتریسیته‌ای با ولتاژ کم و شدت زیاد تولید می‌کنند که برای یکی از مراحل بعدی فرایند، یعنی تبدیل روغن‌های مایع به روغن‌های نیمه جامد، به کار می‌رود. در صنایع دیگری نیز می‌توان به روش‌های مشابه از این تکنیک استفاده کرد. چنین تمایل دوباره‌ای به تولید نیروی گرمایونی، پشتوانه‌ی خوبی برای به کارگیری آن در سیستم‌های تولید نیروی مرکزی است، و معنی‌اش الکتریسیته‌ی ارزان‌تر برای همه است.
