A aterrissagem do rover Perseverance da NASA foi outro salto em frente não apenas para a exploração espacial, mas também para a tecnologia que estãoalimentando a nave em sua missão de anos em Marte - um gerador termoelanãtrico que transforma calor em eletricidade.

Procurando o pra³ximo salto em tecnologias termoelanãtricas, pesquisadores da Duke University e da Michigan State University ganharam novos insights fundamentais sobre dois materiais a  base de magnanãsio (Mg 3 Sb 2 e Mg 3 Bi 2 ) que tem o potencial de superar significativamente os projetos termoelanãtricos tradicionais e também ser mais ecologicamente correto e menos caro para fabricar. Ao contra¡rio da sabedoria cienta­fica prevalecente sobre o uso de elementos pesados , os pesquisadores mostraram que substituir a¡tomos de elementos mais pesados, como ca¡lcio e itanãrbio, por a¡tomos de magnanãsio mais leves, na verdade levou a um aumento de três vezes no desempenho dos materiais a  base de magnanãsio.

Em sua pesquisa, publicada na revista Science Advances , a equipe usou experimentos de espalhamento de naªutrons e raios-X nos laboratórios nacionais Oak Ridge (ORNL) e Argonne do Departamento de Energia (DOE), bem como simulações de supercomputadores no National Energy Research Scientific Centro de Computação (NERSC). Investigações em escala atômica revelaram a origem e o mecanismo por trás da capacidade dos materiais de converter energia tanãrmica em temperatura ambiente em eletricidade. Os resultados indicam possa­veis novos caminhos para melhorar as aplicações termoelanãtricas, como aquelas no rover Perseverance e uma mira­ade de outros dispositivos e tecnologias de geração de energia.

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

"Os materiais termoelanãtricos tradicionais dependem de elementos pesados ​​como chumbo, bismuto e telaºrio - elementos que não são muito amiga¡veis ​​ao meio ambiente e também não são muito abundantes, por isso tendem a ser caros", disse Olivier Delaire, professor associado da Duque. "O magnanãsio, por outro lado, émais leve e abundante, o que o torna um material ideal para aplicações em transporte e voos espaciais, por exemplo."

Normalmente, explicou Delaire, os materiais mais leves não são adequados para projetos termoelanãtricos porque suas condutividades tanãrmicas são muito altas, o que significa que eles transferem muito calor para manter o diferencial de temperatura necessa¡rio para produzir a voltagem. Os materiais mais pesados ​​são geralmente mais desejáveis ​​porque conduzem menos calor, permitindo que preservem e convertam a energia tanãrmica de forma mais eficiente.

"Esses materiais de magnanãsio, no entanto, tem condutividade termoelanãtrica notavelmente baixa, apesar de ter uma densidade de massa baixa. Essas propriedades podem abrir a porta para o projeto de novos tipos de termelanãtricas que não dependem de materiais pesados ​​com elementos ta³xicos", explicou Delaire.

Os materiais de magnanãsio que a equipe estudou pertencem a uma classe maior de compostos de metal chamados Zintls. A estrutura atômica, ou arranjo de a¡tomos, em compostos Zintl étal que érelativamente fa¡cil experimentar e substituir diferentes elementos no material - por exemplo, substituir um elemento pesado por um elemento leve para obter desempenho e funcionalidade ideais.

"Em estudos qua­micos, explorar possibilidades de novos materiais muitas vezes envolve substituir um elemento por outro apenas para ver o que acontece. Normalmente, nosos substitua­mos por elementos quimicamente semelhantes na tabela peria³dica, e uma das grandes vantagens de usar Zintls éque podemos experimentar com muitos elementos e combinações diferentes ", disse o primeiro autor do artigo, Jingxuan Ding, um estudante de pós-graduação pesquisador do grupo de Delaire em Duke. "Ninguanãm esperava que o magnanãsio fosse o melhor composto, mas quando nossos colaboradores na Michigan State o substitua­ram nos ingredientes dos materiais, ficamos surpresos ao descobrir que era de fato o caso, então o pra³ximo passo foi descobrir o porquaª."

Os a¡tomos de um material não são esta¡ticos ou ima³veis; eles vibram com amplitudes que aumentam com temperaturas mais altas. As vibrações coletivas criam um efeito cascata, chamado fa´non, que se parece com conjuntos de ondas nasuperfÍcie de um lago. Essas ondas transportam calor atravanãs de um material, e épor isso que medir as vibrações dos fa´nons éimportante para determinar a condutividade tanãrmica de um material.

Os naªutrons são adequados para estudar fena´menos qua¢nticos como os fa´nons porque os naªutrons não tem carga e podem interagir com os núcleos. Delaire comparou as interações de naªutrons a dedilhar uma corda de viola£o, no sentido de que podem transferir energia para os a¡tomos para excitar as vibrações e extrair informações ocultas sobre os a¡tomos dentro de um material.

A equipe usou o espectra´metro chopper de ampla faixa angular, ou ARCS, na fonte de naªutrons de spallation (SNS) do ORNL para medir as vibrações do fa´non. Os dados que adquiriram lhes permitiram rastrear a baixa condutividade tanãrmica favora¡vel dos materiais a uma ligação especial de magnanãsio que interrompe a viagem das ondas de fa´nons atravanãs do material, fazendo com que interfiram umas com as outras.

"Os naªutrons 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 fa´nons encontradas no material, que éexatamente o que precisamos para entender melhor como esses materiais de baixa condutividade tanãrmica operam."

As medições de espalhamento de naªutrons forneceram a  equipe de pesquisa um amplo levantamento da dina¢mica interna dos materiais Zintl de magnanãsio 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 tanãrmica dos materiais.

Experimentos complementares de raios-X na Fonte Avana§ada de Fa³tons (APS) de Argonne foram usados ​​para aumentar o zoom em modos de fa´nons específicos em amostras de cristal muito pequenas para medições de naªutrons. Ambas as medições de naªutrons e raios-X concordaram com as simulações de supercomputador realizadas no NERSC.

Além de Ding e Delaire, os co-autores do artigo incluem Tyson Lanigan-Atkins, Mario Caldera³n-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said e Alexandra Zevalkink.

"A termoelanãtrica éessencial em aplicações como o rover Mars Perseverance, que exige designs mais simples, leves e confia¡veis ​​em vez dos motores volumosos com pea§as ma³veis que são tradicionalmente usados ​​para gerar eletricidade a partir do calor", disse Delaire. "Esses materiais a  base de magnanãsio são um grande avanço no campo que pode oferecer significativamente mais eficiência energanãtica e muito potencial para aplicações termoelanãtricas mais avana§adas."