Des scientifiques trouvent un meilleur moyen de transformer la chaleur en électricité en inversant une règle standard

Les ingénieurs considèrent généralement la chaleur comme une “énergie perdue”, car il est difficile de la transformer efficacement en quelque chose d’utile.

Cependant, une nouvelle catégorie de matériaux thermoélectriques pourrait changer la donne après que des chercheurs aient choisi d’essayer l’exact opposé de l’approche habituelle. Un article paru dans Science Advances explique pourquoi, accélérant ainsi la recherche de versions encore meilleures.

Comme leur nom l’indique, les matériaux thermoélectriques transforment la chaleur en électricité, en évitant l’étape de l’ébullition de l’eau utilisée dans la plupart des productions d’électricité en masse. Toutefois, en raison de leur coût et de leur inefficacité, les générateurs thermoélectriques sont limités à des applications de niche, comme l’alimentation d’engins spatiaux tels que le rover Mars Perseverance, pour lesquels une production d’énergie légère et fiable est plus importante que le prix.

Les matériaux thermoélectriques sont trop chers et trop polluants pour être utilisés à grande échelle, mais de nouvelles versions qui remplacent les éléments lourds par du magnésium pourraient changer la donne, ouvrant la voie à des options encore meilleures qui pourraient trouver des utilisations généralisées.

Les matériaux thermoélectriques fonctionnent en créant un courant entre un côté chaud et un côté froid. Malheureusement, si le matériau conduit la chaleur aussi bien que l’électricité, les températures s’égalisent et le courant est coupé. Les matériaux doivent donc être thermiquement isolants, une caractéristique plus souvent associée aux métaux lourds qu’aux métaux légers, si bien que les scientifiques travaillant dans ce domaine se sont concentrés sur des atomes plus gros.

Lorsque d’autres scientifiques ont essayé des matériaux à base de magnésium, juste au cas où, ils ont été étonnés de découvrir qu’ils fonctionnaient étonnamment bien.

Le Dr Olivier Delaire, de l’université de Duke, a confirmé que ces matériaux, Mg3Sb2 et Mg3Bi2, fonctionnent trois fois mieux que le calcium et l’ytterbium, des éléments possédant plus de protons et des propriétés chimiques similaires, ce qui pourrait également expliquer ce phénomène inattendu.

Le magnésium présente également l’avantage non négligeable d’être bon marché, abondant et relativement peu polluant. Bien qu’il partage ces caractéristiques avec le calcium, ce n’est pas le cas des autres matériaux testés.

“Les matériaux thermoélectriques traditionnels reposent sur des éléments lourds tels que le plomb, le bismuth et le tellure, des éléments qui ne sont pas très respectueux de l’environnement et qui ne sont pas non plus très abondants”, a déclaré M. Delaire dans un communiqué. “Ces matériaux en magnésium, cependant, ont une conductivité thermoélectrique remarquablement faible malgré une faible densité de masse.” De plus, si les effets thermoélectriques à haute température sont courants, le Mg3Sb2 et le Mg3Bi2 fonctionnent bien à proximité de la température ambiante.

Néanmoins, M. Delaire ne pense pas que ces matériaux spécifiques seront l’avenir de la génération thermoélectrique. L’antimoine et le bismuth ne sont pas particulièrement abondants, et la production d’antimoine est assez polluante. Toutefois, tout comme la plupart des produits pharmaceutiques sont des modifications d’une molécule prometteuse mais imparfaite, M. Delaire espère que les deux matériaux à base de magnésium explorés jusqu’à présent, qui appartiennent à une classe connue sous le nom de Zintls, ouvriront la voie à de meilleures versions.

“Dans les études chimiques, l’exploration des possibilités de nouveaux matériaux implique souvent de substituer un élément à un autre, juste pour voir ce qui se passe”, a déclaré le premier auteur, Jingxuan Ding. “Habituellement, nous les remplaçons par des éléments chimiquement similaires dans le tableau périodique, et l’un des grands avantages de l’utilisation de Zintls est que nous pouvons expérimenter avec beaucoup d’éléments différents et différentes combinaisons.”

Bien que cela puisse se faire par essais et erreurs, Ding et Delaire espèrent raccourcir le processus en identifiant pourquoi le magnésium fonctionne si bien. Ils ont appris qu’une liaison du magnésium fait obstacle à la transmission de la chaleur. En sa présence, les ondes de chaleur qui transportent les vibrations du côté chaud du matériau vers le côté plus froid interfèrent entre elles, au lieu de se déplacer proprement.

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Source : IFLScience – Traduit par Anguille sous roche