De landing van NASA's Perseverance-rover was een nieuwe sprong voorwaarts, niet alleen voor verkenning van de ruimte, maar ook voor de technologie die het vaartuig aandrijft tijdens zijn jarenlange missie op Mars - een thermo-elektrische generator die warmte omzet in elektriciteit.

Op zoek naar de volgende sprong in thermo-elektrische technologieën, onderzoekers van Duke University en Michigan State University hebben nieuwe fundamentele inzichten gekregen in twee op magnesium gebaseerde materialen (Mg ₃ sb ₂ en Mg ₃ Bi ₂ ) die het potentieel hebben om aanzienlijk beter te presteren dan traditionele thermo-elektrische ontwerpen en die ook milieuvriendelijker en goedkoper te produceren zouden zijn. In tegenstelling tot de heersende wetenschappelijke wijsheid over het gebruik van zware elementen, de onderzoekers toonden aan dat het vervangen van atomen van zwaardere elementen zoals calcium en ytterbium door lichtere magnesiumatomen in feite leidde tot een drievoudige toename van de prestaties van de op magnesium gebaseerde materialen.

In hun onderzoek hebben gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , het team gebruikte neutronen- en röntgenverstrooiingsexperimenten in de nationale laboratoria van het Department of Energy (DOE) Oak Ridge (ORNL) en Argonne, evenals supercomputersimulaties bij het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Onderzoeken op atomaire schaal onthulden de oorsprong en het mechanisme achter het vermogen van de materialen om thermische energie bij kamertemperatuur om te zetten in elektriciteit. De bevindingen wijzen op mogelijke nieuwe wegen voor het verbeteren van thermo-elektrische toepassingen zoals die in de Perseverance rover en talloze andere apparaten en energieopwekkingstechnologieën.

Thermo-elektrische materialen creëren in wezen een spanning uit een temperatuurverschil tussen de warme en koude kanten van het materiaal. Door thermische energie om te zetten in elektriciteit, of vice versa, thermo-elektrische apparaten kunnen worden gebruikt voor koeling of voor het opwekken van elektrische energie uit warmteafvoer.

"Traditionele thermo-elektrische materialen zijn afhankelijk van zware elementen zoals lood, bismut, en tellurium—elementen die niet erg milieuvriendelijk zijn, en ze zijn ook niet erg overvloedig, dus ze zijn vaak duur, " zei Olivier Delaire, universitair hoofddocent bij Duke. "Magnesium daarentegen is lichter en overvloediger, waardoor het een ideaal materiaal is voor transport- en ruimtevaarttoepassingen, bijvoorbeeld."

Typisch, Delaire legde uit, lichtere materialen zijn niet goed geschikt voor thermo-elektrische ontwerpen omdat hun thermische geleidbaarheid te hoog is, wat betekent dat ze te veel warmte overdragen om het temperatuurverschil te behouden dat nodig is om de spanning te produceren. Zwaardere materialen zijn over het algemeen wenselijker omdat ze minder warmte geleiden, waardoor ze thermische energie efficiënter kunnen behouden en omzetten.

"Deze magnesiummaterialen, echter, hebben een opmerkelijk lage thermo-elektrische geleidbaarheid ondanks een lage massadichtheid. Die eigenschappen kunnen mogelijk de deur openen naar het ontwerpen van nieuwe soorten thermo-elektriciteit die niet afhankelijk zijn van zware materialen met giftige elementen, ’ legde Delaire uit.

De magnesiummaterialen die het team bestudeerde, behoren tot een grotere klasse van metaalverbindingen die Zintls worden genoemd. De atomaire structuur, of rangschikking van atomen, in Zintl-verbindingen is zodanig dat het relatief eenvoudig is om met verschillende elementen in het materiaal te experimenteren en deze te vervangen, bijvoorbeeld, het vervangen van een zwaar element door een licht element om optimale prestaties en functionaliteit te bereiken.

"In chemische studies, het verkennen van mogelijkheden voor nieuwe materialen houdt vaak in dat het ene element door een ander moet worden vervangen, gewoon om te zien wat er gebeurt. Meestal vervangen we ze door chemisch vergelijkbare elementen in het periodiek systeem, en een van de grote voordelen van het gebruik van Zintls is dat we met veel verschillende elementen en verschillende combinaties kunnen experimenteren, " zei de eerste auteur van de krant Jingxuan Ding, een afgestudeerde student-onderzoeker in de groep van Delaire bij Duke. "Niemand had verwacht dat magnesium de betere verbinding zou zijn, maar toen onze medewerkers in Michigan State het vervingen in de ingrediënten van de materialen, we waren verrast toen we ontdekten dat dit inderdaad het geval was, dus de volgende stap was om erachter te komen waarom."

De atomen in een materiaal zijn niet statisch, of onbeweeglijk; ze trillen met amplitudes die toenemen bij hogere temperaturen. De collectieve trillingen creëren een rimpeleffect, een fonon genoemd, dat eruitziet als reeksen golven op het oppervlak van een vijver. Die golven transporteren warmte door een materiaal, daarom is het meten van fonontrillingen belangrijk voor het bepalen van de thermische geleidbaarheid van een materiaal.

Neutronen zijn bij uitstek geschikt voor het bestuderen van kwantumverschijnselen zoals fononen omdat neutronen geen lading hebben en kunnen interageren met kernen. Delaire vergeleek neutroneninteracties met het tokkelen van een gitaarsnaar, omdat ze energie naar de atomen kunnen overbrengen om de trillingen op te wekken en verborgen informatie over de atomen in een materiaal te verkrijgen.

Het team gebruikte de Wide Angular-Range Chopper Spectrometer, of ARC, bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) om de fonontrillingen te meten. De verkregen gegevens stelden hen in staat om de gunstige lage thermische geleidbaarheid van de materialen te herleiden tot een speciale magnesiumbinding die de reis van fonongolven door het materiaal verstoort doordat ze met elkaar interfereren.

"Neutronen zijn een van de beste manieren om atomaire trillingen te meten, zoals die we in deze materialen bestuderen, "zei Ding. "ARCS kan een breed scala aan frequenties en golflengten detecteren die ons helpen de fonongolven in het materiaal te meten, dat is precies wat we nodig hebben om beter te begrijpen hoe deze materialen met een lage thermische geleidbaarheid werken."

De neutronenverstrooiingsmetingen gaven het onderzoeksteam een ​​breed overzicht van de interne dynamiek van de magnesium Zintl-materialen die hielpen bij het begeleiden en verfijnen van computersimulaties en daaropvolgende röntgenexperimenten onder leiding van Ding. Deze werden gebruikt om een ​​volledig inzicht te krijgen in de oorsprong van de thermische geleidbaarheid van de materialen.

Complementaire röntgenexperimenten bij Argonne's Advanced Photon Source (APS) werden gebruikt om in te zoomen op specifieke fonon-modi in kristalmonsters die te klein zijn voor neutronenmetingen. Zowel de neutronen- als röntgenmetingen kwamen overeen met de supercomputersimulaties die bij NERSC werden uitgevoerd.

Naast Ding en Delaire, de co-auteurs van het papier zijn onder meer Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman zei, en Alexandra Zevalkink.

"Thermo-elektriciteit is essentieel in toepassingen zoals de Mars Perseverance-rover die eenvoudiger, lichtere en betrouwbaardere ontwerpen in plaats van de omvangrijke motoren met bewegende delen die traditioneel worden gebruikt om elektriciteit op te wekken uit warmte, "zei Delaire. "Deze op magnesium gebaseerde materialen zijn een grote vooruitgang in het veld dat aanzienlijk meer energie-efficiëntie zou kunnen bieden en veel potentieel voor meer geavanceerde thermo-elektrische toepassingen."