L'atterraggio del rover Perseverance della NASA è stato un altro balzo in avanti non solo per l'esplorazione dello spazio, ma anche per la tecnologia che sta alimentando il velivolo nella sua missione di anni su Marte:un generatore termoelettrico che trasforma il calore in elettricità.

Alla ricerca del prossimo salto nelle tecnologie termoelettriche, i ricercatori della Duke University e della Michigan State University hanno acquisito nuove conoscenze fondamentali su due materiali a base di magnesio (Mg ₃ Sb ₂ e Mg ₃ Bi ₂ ) che hanno il potenziale per superare in modo significativo i progetti termoelettrici tradizionali e sarebbero anche più rispettosi dell'ambiente e meno costosi da produrre. Contrariamente alla saggezza scientifica prevalente sull'uso di elementi pesanti, i ricercatori hanno dimostrato che la sostituzione di atomi di elementi più pesanti come calcio e itterbio con atomi di magnesio più leggeri ha effettivamente portato a un aumento di tre volte delle prestazioni dei materiali a base di magnesio.

Nella loro ricerca, pubblicato sulla rivista Progressi scientifici , il team ha utilizzato esperimenti di diffusione di raggi X e neutroni presso i laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia (DOE) Oak Ridge (ORNL) e Argonne, così come simulazioni di supercomputer presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Indagini su scala atomica hanno rivelato l'origine e il meccanismo alla base della capacità dei materiali di convertire l'energia termica a temperatura ambiente in elettricità. I risultati indicano possibili nuovi percorsi per migliorare le applicazioni termoelettriche come quelle del rover Perseverance e una miriade di altri dispositivi e tecnologie di generazione di energia.

I materiali termoelettrici creano essenzialmente una tensione da una differenza di temperatura tra i lati caldo e freddo del materiale. Trasformando l'energia termica in energia elettrica, o vice versa, i dispositivi termoelettrici possono essere utilizzati per la refrigerazione o la generazione di energia elettrica dallo scarico del calore.

"I materiali termoelettrici tradizionali si basano su elementi pesanti come piombo, bismuto, e tellurio, elementi poco rispettosi dell'ambiente, e sono anche poco abbondanti, quindi tendono ad essere costosi, " disse Olivier Delaire, professore associato presso Duke. "Il magnesio invece è più leggero e più abbondante, che lo rende un materiale ideale per applicazioni di trasporto e volo spaziale, Per esempio."

Tipicamente, Delaire ha spiegato, i materiali più leggeri non sono adatti per i progetti termoelettrici perché la loro conduttività termica è troppo alta, il che significa che trasferiscono troppo calore per mantenere il differenziale di temperatura necessario per produrre la tensione. I materiali più pesanti sono generalmente più desiderabili perché conducono meno calore, consentendo loro di preservare e convertire l'energia termica in modo più efficiente.

"Questi materiali di magnesio, però, hanno una conduttività termoelettrica notevolmente bassa pur avendo una bassa densità di massa. Queste proprietà potrebbero potenzialmente aprire la porta alla progettazione di nuovi tipi di termoelettrici che non si basano su materiali pesanti con elementi tossici, " ha spiegato Delaire.

I materiali di magnesio che il team ha studiato appartengono a una classe più ampia di composti metallici chiamati Zintls. La struttura atomica, o disposizione degli atomi, nei composti Zintl è tale che è relativamente facile sperimentare e sostituire diversi elementi nel materiale, ad esempio sostituire un elemento pesante con un elemento leggero per ottenere prestazioni e funzionalità ottimali.

"Negli studi chimici, esplorare le possibilità di nuovi materiali spesso implica sostituire un elemento con un altro solo per vedere cosa succede. Di solito li sostituiamo con elementi chimicamente simili nella tavola periodica, e uno dei grandi vantaggi dell'utilizzo di Zintls è che possiamo sperimentare molti elementi diversi e combinazioni diverse, " ha detto il primo autore del giornale Jingxuan Ding, uno studente laureato ricercatore nel gruppo di Delaire alla Duke. "Nessuno si aspettava che il magnesio fosse il composto migliore, ma quando i nostri collaboratori alla Michigan State lo hanno sostituito negli ingredienti dei materiali, siamo rimasti sorpresi di scoprire che era in effetti così, quindi il passo successivo è stato scoprire perché".

Gli atomi in un materiale non sono statici, o immobile; vibrano con ampiezze che aumentano con temperature più elevate. Le vibrazioni collettive creano un effetto a catena, chiamato fonone, che sembrano insiemi di onde sulla superficie di uno stagno. Quelle onde sono ciò che trasporta il calore attraverso un materiale, ecco perché misurare le vibrazioni dei fononi è importante per determinare la conduttività termica di un materiale.

I neutroni sono particolarmente adatti per studiare fenomeni quantistici come i fononi perché i neutroni non hanno carica e possono interagire con i nuclei. Delaire ha paragonato le interazioni dei neutroni al pizzicare una corda di chitarra in quanto possono trasferire energia agli atomi per eccitare le vibrazioni e suscitare informazioni nascoste sugli atomi all'interno di un materiale.

Il team ha utilizzato lo spettrometro Chopper ad ampio raggio angolare, o ARCS, presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL per misurare le vibrazioni dei fononi. I dati acquisiti hanno permesso loro di tracciare la favorevole bassa conduttività termica dei materiali a uno speciale legame di magnesio che interrompe il viaggio delle onde fononiche attraverso il materiale facendole interferire l'una con l'altra.

"I neutroni sono uno dei modi migliori per misurare le vibrazioni atomiche come quelle che stiamo studiando in questi materiali, " ha affermato Ding. "Gli ARCS possono rilevare un'ampia gamma di frequenze e lunghezze d'onda che ci aiutano a misurare le onde fononiche presenti nel materiale, che è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per capire meglio come funzionano questi materiali a bassa conducibilità termica."

Le misurazioni della diffusione dei neutroni hanno fornito al team di ricerca un'ampia indagine sulle dinamiche interne dei materiali Zintl di magnesio che hanno aiutato a guidare e perfezionare le simulazioni al computer e i successivi esperimenti a raggi X guidati da Ding. Questi sono stati usati per costruire una comprensione completa delle origini della conduttività termica dei materiali.

Esperimenti complementari a raggi X presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne sono stati utilizzati per ingrandire modalità fononiche specifiche in campioni di cristallo troppo piccoli per le misurazioni dei neutroni. Sia le misurazioni dei neutroni che dei raggi X concordavano con le simulazioni al supercomputer eseguite al NERSC.

Oltre a Ding e Delaire, i coautori del documento includono Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman ha detto, e Alexandra Zevalkink.

"La termoelettrica è essenziale in applicazioni come il rover Mars Perseverance che richiedono operazioni più semplici, design più leggeri e affidabili rispetto ai motori ingombranti con parti mobili che sono tradizionalmente utilizzati per generare elettricità dal calore, " ha affermato Delaire. "Questi materiali a base di magnesio sono un grande progresso nel campo che potrebbe offrire un'efficienza energetica significativamente maggiore e un grande potenziale per applicazioni termoelettriche più avanzate".