Grâce aux dispositifs thermoélectriques, il est possible de produire de l’électricité à partir de chaleur – et vice versa. Le rover Perseverance est alimenté par un tel dispositif. Et aujourd’hui, des chercheurs ont fait une découverte qui pourrait bien révolutionner le domaine, rendant les matériaux thermoélectriques plus efficaces, plus économiques et plus respectueux de l’environnement.
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Un générateur thermoélectrique à radio-isotope. C'est le choix qu'a fait la Nasa pour assurer l'alimentation de Perseverance, le dernier rover qu'elle a envoyé sur Mars. Le tout pendant plusieurs années et sans dépendre du rayonnement solairerayonnement solaire. Comment ça fonctionne ? Simplement par transformation de la chaleur émise par la radioactivitéradioactivité naturelle de plutoniumplutonium 238 en électricité - grâce à des matériaux que les physiciensphysiciens qualifient de thermoélectriques.
Traditionnellement, ces matériaux thermoélectriques comptent sur les propriétés d'éléments lourds pour transformer efficacement une différence de température en électricité. Le plombplomb (Pb), le bismuthbismuth (Bi), le telluretellure (Te). Des éléments malheureusement peu respectueux de l'environnement. Des éléments également peu abondants, ce qui les rend généralement assez chers. Mais des chercheurs de l’université Duke et de l’université de l’État du Michigan (États-Unis) ont peut-être trouvé une solution plus efficace, plus respectueuse de l'environnement et plus économique. Reposant sur des éléments plus légers.
Rappelons que les éléments plus légers sont considérés par les physiciens comme peu adaptés à la conception de matériaux thermoélectriques, car leur conductivité thermique est trop élevée. Résultat : ils transfèrent trop de chaleur pour maintenir le différentiel indispensable à la production d'électricité.
Du magnésium pour des matériaux thermoélectriques performants
Mais les chercheurs ont découvert, à leur grand étonnement, qu'en introduisant du magnésiummagnésium (Mg) dans leurs matériaux thermoélectriques, ils obtenaient une conductivité thermiqueconductivité thermique remarquablement faible malgré la faible densité de massemasse de l'élément. Grâce à des expériences de diffusiondiffusion de neutronsneutrons et de rayons Xrayons X et à des simulations, les physiciens sont même parvenus à expliquer le phénomène.
En mesurant la vibrationvibration des phononsphonons - des ondes qui transportent la chaleur à travers un matériaumatériau -, les chercheurs ont attribué la faible conductivité thermique de leurs matériaux à base de magnésium à une liaison spéciale qui perturbe le voyage des phonons en faisant interagir les ondes les unes avec les autres. Résultat : des performances multipliées par pas moins de trois lorsque le magnésium remplace des éléments plus lourds.
Les travaux des chercheurs de l'université Duke et de l'université de l'État du Michigan ouvrent ainsi de nouvelles voies pour non seulement améliorer les dispositifs tels que ceux portés par le rover PerseverancePerseverance, mais aussi de nombreux autres. Comme la réfrigération ou la génération d'électricité à partir de chaleur perdue. La légèreté du magnésium en ferait un allié idéal pour les applicationsapplications de transport, notamment.
