O pouso do rover Perseverance da NASA foi outro salto em frente não apenas para a exploração espacial, mas também para a tecnologia que está alimentando a nave em sua missão de anos em Marte - um gerador termoelétrico que transforma calor em eletricidade.

Em busca do próximo salto em tecnologias termelétricas, pesquisadores da Duke University e da Michigan State University obtiveram novos insights fundamentais sobre dois materiais à base de magnésio (Mg ₃ Sb ₂ e Mg ₃ Bi ₂ ) que têm o potencial de superar significativamente os projetos termelétricos tradicionais e também seriam mais ecologicamente corretos e menos caros de fabricar. Ao contrário da sabedoria científica prevalecente sobre o uso de elementos pesados, os pesquisadores mostraram que a substituição de átomos de elementos mais pesados, como cálcio e itérbio, por átomos de magnésio mais leves, na verdade, levou a um aumento de três vezes no desempenho dos materiais à base de magnésio.

Em sua pesquisa, publicado no jornal Avanços da Ciência , a equipe usou experimentos de espalhamento de nêutrons e raios-X nos laboratórios nacionais Oak Ridge (ORNL) e Argonne do Departamento de Energia (DOE), bem como simulações de supercomputador no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Investigações em escala atômica revelaram a origem e o mecanismo por trás da capacidade dos materiais de converter energia térmica em temperatura ambiente em eletricidade. Os resultados indicam possíveis novos caminhos para melhorar as aplicações termoelétricas, como aquelas no rover Perseverance e uma miríade de outros dispositivos e tecnologias de geração de energia.

Os materiais termoelétricos criam essencialmente uma tensão de uma diferença de temperatura entre os lados quente e frio do material. Ao converter energia térmica em eletricidade, ou vice-versa, dispositivos termoelétricos podem ser usados ​​para refrigeração ou geração de energia elétrica a partir da exaustão de calor.

"Os materiais termoelétricos tradicionais dependem de elementos pesados, como chumbo, bismuto, e telúrio - elementos que não são muito amigos do ambiente, e também não são muito abundantes, então eles tendem a ser caros, "disse Olivier Delaire, professor associado da Duke. "O magnésio, por outro lado, é mais leve e abundante, o que o torna um material ideal para aplicações de transporte e voos espaciais, por exemplo."

Tipicamente, Delaire explicou, materiais mais leves não são adequados para projetos termoelétricos porque suas condutividades térmicas são muito altas, o que significa que eles transferem muito calor para manter o diferencial de temperatura necessário para produzir a voltagem. Materiais mais pesados ​​são geralmente mais desejáveis ​​porque conduzem menos calor, permitindo que preservem e convertam a energia térmica de forma mais eficiente.

"Esses materiais de magnésio, Contudo, têm condutividade termoelétrica notavelmente baixa, apesar de ter uma baixa densidade de massa. Essas propriedades podem abrir a porta para o projeto de novos tipos de termelétricas que não dependem de materiais pesados ​​com elementos tóxicos, "Delaire explicou.

Os materiais de magnésio que a equipe estudou pertencem a uma classe maior de compostos de metal chamados Zintls. A estrutura atômica, ou arranjo de átomos, em compostos Zintl é tal que é relativamente fácil experimentar e substituir diferentes elementos no material, por exemplo, substituindo um elemento pesado por um elemento leve para alcançar o desempenho e funcionalidade ideais.

"Em estudos químicos, explorar possibilidades de novos materiais muitas vezes envolve substituir um elemento por outro apenas para ver o que acontece. Normalmente, nós os substituímos por elementos quimicamente semelhantes na tabela periódica, e uma das grandes vantagens de usar Zintls é que podemos experimentar muitos elementos e combinações diferentes, "disse o primeiro autor do jornal, Jingxuan Ding, um estudante de pós-graduação pesquisador no grupo de Delaire na Duke. "Ninguém esperava que o magnésio fosse o melhor composto, mas quando nossos colaboradores no estado de Michigan o substituíram nos ingredientes dos materiais, ficamos surpresos ao descobrir que era esse o caso, então, o próximo passo foi descobrir o porquê. "

Os átomos em um material não são estáticos, ou imóvel; eles vibram com amplitudes que aumentam com temperaturas mais altas. As vibrações coletivas criam um efeito cascata, chamado de phonon, que se parecem com conjuntos de ondas na superfície de um lago. Essas ondas são o que transporta calor através de um material, É por isso que medir as vibrações dos fônons é importante para determinar a condutividade térmica de um material.

Os nêutrons são adequados para estudar fenômenos quânticos como os fônons porque os nêutrons não têm carga e podem interagir com os núcleos. Delaire comparou as interações de nêutrons a dedilhar uma corda de violão, no sentido de que podem transferir energia para os átomos para excitar as vibrações e extrair informações ocultas sobre os átomos dentro de um material.

A equipe usou o espectrômetro chopper de grande alcance angular, ou ARCS, na Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) do ORNL para medir as vibrações do fônon. Os dados que adquiriram lhes permitiram rastrear a baixa condutividade térmica favorável dos materiais a uma ligação especial de magnésio que interrompe a viagem das ondas de fônons através do material, fazendo com que interfiram umas com as outras.

"Os nêutrons são uma das melhores maneiras de medir as vibrações atômicas como as que estamos estudando nesses materiais, "disse Ding." O ARCS pode detectar uma ampla gama de frequências e comprimentos de onda que nos ajudam a medir as ondas de fônons encontradas no material, que é exatamente o que precisamos para entender melhor como esses materiais de baixa condutividade térmica operam. "

As medições de espalhamento de nêutrons forneceram à equipe de pesquisa um amplo levantamento da dinâmica interna dos materiais Zintl de magnésio que ajudaram a guiar e refinar as simulações de computador e os subsequentes experimentos de raios-X liderados por Ding. Eles foram usados ​​para construir uma compreensão completa das origens da condutividade térmica dos materiais.

Experimentos complementares de raios-X na Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne foram usados ​​para ampliar os modos de fônons específicos em amostras de cristal muito pequenas para medições de nêutrons. Ambas as medições de nêutrons e raios-X concordaram com as simulações de supercomputador realizadas no NERSC.

Além de Ding e Delaire, os co-autores do jornal incluem Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman disse, e Alexandra Zevalkink.

"A termoelétrica é essencial em aplicações como o Mars Perseverance rover, que exige mais simples, designs mais leves e confiáveis ​​em vez dos motores volumosos com peças móveis que são tradicionalmente usados ​​para gerar eletricidade a partir do calor, "disse Delaire." Esses materiais à base de magnésio são um grande avanço no campo que podem oferecer significativamente mais eficiência energética e muito potencial para aplicações termoelétricas mais avançadas. "