Perseverance, le dernier rover de la Nasa – ici sur Mars en compagnie d’Ingenuity – intègre un générateur thermoélectrique qui produit de l’électricité à partir de chaleur. Des chercheurs de l’université Duke et de l’université de l’État du Michigan (États-Unis) proposent aujourd’hui des matériaux plus efficaces, plus économiques et plus respectueux de l’environnement pour des applications sur Terre. © Nasa, JPL-Caltech, MSSS
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Thermoélectricité : la technologie utilisée par Perseverance bientôt exploitable sur Terre ?

ActualitéClassé sous :Physique , électricité , matériau

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 solaire. Comment ça fonctionne ? Simplement par transformation de la chaleur émise par la radioactivité naturelle de plutonium 238 en électricité - grâce à des matériaux que les physiciens qualifient de thermoélectriques.

Traditionnellement, ces matériaux thermoélectriques comptent sur les propriétés d'éléments lourds pour transformer efficacement une différence de température en électricité. Le plomb (Pb), le bismuth (Bi), le tellure (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.

Une représentation de la structure cristalline de l’un des matériaux thermoélectriques étudiés par les chercheurs de l’université Duke et de l’université de l’État du Michigan (États-Unis) : le Mg3Sb2. Les atomes de magnésium (Mg) sont en orange. Les atomes d’antimoine (Sb) sont en bleu. © ORNL, Jill Hemman

Du magnésium pour des matériaux thermoélectriques performants

Mais les chercheurs ont découvert, à leur grand étonnement, qu'en introduisant du magnésium (Mg) dans leurs matériaux thermoélectriques, ils obtenaient une conductivité thermique remarquablement faible malgré la faible densité de masse de l'élément. Grâce à des expériences de diffusion de neutrons et de rayons X et à des simulations, les physiciens sont même parvenus à expliquer le phénomène.

En mesurant la vibration des phonons - des ondes qui transportent la chaleur à travers un matériau -, 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 Perseverance, 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 applications de transport, notamment.

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