El aterrizaje del rover Perseverance de la NASA fue otro salto adelante no solo para la exploración espacial sino también para la tecnología que impulsa la nave en su misión de años en Marte:un generador termoeléctrico que convierte el calor en electricidad.

Buscando el próximo salto en tecnologías termoeléctricas, Los investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad Estatal de Michigan obtuvieron nuevos conocimientos fundamentales sobre dos materiales a base de magnesio (Mg ₃ Sb ₂ y Mg ₃ Bi ₂ ) que tienen el potencial de superar significativamente los diseños termoeléctricos tradicionales y también serían más respetuosos con el medio ambiente y menos costosos de fabricar. Contrariamente a la sabiduría científica predominante sobre el uso de elementos pesados, Los investigadores demostraron que la sustitución de átomos de elementos más pesados ​​como el calcio y el iterbio por átomos de magnesio más ligeros en realidad condujo a un aumento de tres veces en el rendimiento de los materiales a base de magnesio.

En su investigación, publicado en la revista Avances de la ciencia , El equipo utilizó experimentos de dispersión de rayos X y neutrones en los laboratorios nacionales de Oak Ridge (ORNL) y Argonne del Departamento de Energía (DOE). así como simulaciones de supercomputadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC). Las investigaciones a escala atómica revelaron el origen y el mecanismo detrás de la capacidad de los materiales para convertir la energía térmica a temperatura ambiente en electricidad. Los hallazgos indican posibles nuevas vías para mejorar las aplicaciones termoeléctricas, como las del rover Perseverance y una miríada de otros dispositivos y tecnologías de generación de energía.

Los materiales termoeléctricos esencialmente crean un voltaje a partir de una diferencia de temperatura entre los lados fríos y calientes del material. Al convertir la energía térmica en electricidad, o viceversa, Los dispositivos termoeléctricos se pueden utilizar para la refrigeración o la generación de energía eléctrica a partir del escape de calor.

"Los materiales termoeléctricos tradicionales se basan en elementos pesados ​​como el plomo, bismuto, y telurio:elementos que no son muy respetuosos con el medio ambiente, y tampoco son muy abundantes, por lo que tienden a ser costosos, "dijo Olivier Delaire, profesor asociado en Duke. "El magnesio, por otro lado, es más ligero y abundante, lo que lo convierte en un material ideal para aplicaciones de transporte y vuelos espaciales, por ejemplo."

Típicamente, Delaire explicó, Los materiales más ligeros no son adecuados para diseños termoeléctricos porque sus conductividades térmicas son demasiado altas. lo que significa que transfieren demasiado calor para mantener el diferencial de temperatura necesario para producir el voltaje. Los materiales más pesados ​​son generalmente más deseables porque conducen menos calor, permitiéndoles conservar y convertir la energía térmica de manera más eficiente.

"Estos materiales de magnesio, sin embargo, tienen una conductividad termoeléctrica notablemente baja a pesar de tener una densidad de masa baja. Esas propiedades podrían abrir la puerta al diseño de nuevos tipos de termoeléctricos que no dependan de materiales pesados ​​con elementos tóxicos. "Explicó Delaire.

Los materiales de magnesio que estudió el equipo pertenecen a una clase más amplia de compuestos metálicos llamados Zintls. La estructura atómica, o disposición de átomos, en compuestos de Zintl es tal que es relativamente fácil experimentar y sustituir diferentes elementos en el material, por ejemplo, Reemplazo de un elemento pesado por un elemento ligero para lograr un rendimiento y una funcionalidad óptimos.

"En estudios químicos, Explorar posibilidades de nuevos materiales a menudo implica sustituir un elemento por otro solo para ver qué sucede. Por lo general, los reemplazamos con elementos químicamente similares en la tabla periódica, y una de las grandes ventajas de usar Zintls es que podemos experimentar con muchos elementos y combinaciones diferentes, "dijo el primer autor del artículo, Jingxuan Ding, un investigador estudiante de posgrado en el grupo de Delaire en Duke. "Nadie esperaba que el magnesio fuera el mejor compuesto, pero cuando nuestros colaboradores en Michigan State lo sustituyeron en los ingredientes de los materiales, nos sorprendió descubrir que ese era el caso, así que el siguiente paso fue averiguar por qué ".

Los átomos de un material no son estáticos, o inmóvil; vibran con amplitudes que aumentan con las temperaturas más altas. Las vibraciones colectivas crean un efecto dominó, llamado phonon, que parecen conjuntos de olas en la superficie de un estanque. Esas ondas son las que transportan el calor a través de un material, razón por la cual medir las vibraciones de los fonones es importante para determinar la conductividad térmica de un material.

Los neutrones son especialmente adecuados para estudiar fenómenos cuánticos como los fonones porque los neutrones no tienen carga y pueden interactuar con los núcleos. Delaire comparó las interacciones de neutrones con tocar una cuerda de guitarra, ya que pueden transferir energía a los átomos para excitar las vibraciones y obtener información oculta sobre los átomos dentro de un material.

El equipo utilizó el espectrómetro Chopper de amplio rango angular, o ARCOS, en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL para medir las vibraciones del fonón. Los datos que adquirieron les permitieron rastrear la conductividad térmica baja favorable de los materiales hasta un enlace especial de magnesio que interrumpe el viaje de las ondas fonónicas a través del material al hacer que interfieran entre sí.

"Los neutrones son una de las mejores formas de medir vibraciones atómicas como las que estamos estudiando en estos materiales, "dijo Ding." ARCS puede detectar una amplia gama de frecuencias y longitudes de onda que nos ayudan a medir las ondas fonónicas que se encuentran en el material, que es exactamente lo que necesitamos para comprender mejor cómo funcionan estos materiales de baja conductividad térmica ".

Las mediciones de dispersión de neutrones proporcionaron al equipo de investigación un amplio estudio de la dinámica interna de los materiales de magnesio Zintl que ayudó a guiar y refinar las simulaciones por computadora y los experimentos de rayos X posteriores dirigidos por Ding. Estos se utilizaron para construir una comprensión completa de los orígenes de la conductividad térmica de los materiales.

Se utilizaron experimentos complementarios de rayos X en la fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne para acercar modos de fonones específicos en muestras de cristal demasiado pequeñas para las mediciones de neutrones. Tanto las mediciones de neutrones como las de rayos X coincidieron con las simulaciones de supercomputadoras realizadas en NERSC.

Además de Ding y Delaire, Los coautores del artículo incluyen a Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman dijo, y Alexandra Zevalkink.

"Los termoeléctricos son esenciales en aplicaciones como el rover Mars Perseverance que requieren más diseños más ligeros y fiables en lugar de los voluminosos motores con piezas móviles que se utilizan tradicionalmente para generar electricidad a partir del calor, ", dijo Delaire." Estos materiales a base de magnesio son un gran avance en el campo que podrían ofrecer una eficiencia energética significativamente mayor y un gran potencial para aplicaciones termoeléctricas más avanzadas ".