Tecnologia Científica

O burburinho sobre termelétricas esquenta com novos materiais promissores à base de magnésio
Os pesquisadores mostraram que substituir 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.
Por Jeremy Rumsey - 23/07/2021


Uma representação da rede cristalina do composto termoelétrico Mg3Sb2 (átomos de magnésio em laranja, antimônio em azul). Uma corrente elétrica é gerada à medida que o calor atravessa o material, impulsionado por ondas de fônon. Crédito: ORNL / Jill Hemman

A aterrissagem 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.

Procurando o próximo salto em tecnologias termoelétricas, pesquisadores da Duke University e da Michigan State University ganharam 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 termoelétricos tradicionais e também ser mais ecologicamente correto e menos caro para fabricar. Ao contrário da sabedoria científica prevalecente sobre o uso de elementos pesados , os pesquisadores mostraram que substituir 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, publicada na revista Science Advances , 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 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 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 amigáveis ​​ao meio ambiente e também não são muito abundantes, por isso tendem a ser caros", disse Olivier Delaire, professor associado da Duque. "O magnésio, por outro lado, é mais 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 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. Os 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, no entanto, têm condutividade termoelétrica notavelmente baixa, apesar de ter uma densidade de massa baixa. Essas propriedades podem abrir a porta para o projeto de novos tipos de termelétricas que não dependem de materiais pesados ​​com elementos tóxicos", explicou Delaire.

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, substituir um elemento pesado por um elemento leve para obter 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 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. "Ninguém esperava que o magnésio fosse o melhor composto, mas quando nossos colaboradores na Michigan State o substituíram nos ingredientes dos materiais, ficamos surpresos ao descobrir que era de fato o caso, então o próximo passo foi descobrir o porquê."

Os átomos de um material não são estáticos ou imóveis; eles vibram com amplitudes que aumentam com temperaturas mais altas. As vibrações coletivas criam um efeito cascata, chamado fônon, que se parece com conjuntos de ondas na superfície de um lago. Essas ondas transportam calor através de um material, e 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 ampla faixa angular, ou ARCS, na fonte de nêutrons de spallation (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 aumentar o zoom em 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 artigo incluem Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said e Alexandra Zevalkink.

"A termoelétrica é essencial em aplicações como o rover Mars Perseverance, que exige designs mais simples, 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 pode oferecer significativamente mais eficiência energética e muito potencial para aplicações termoelétricas mais avançadas."

 

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