Urządzenie wielkości długopisu potrafi wyłapać niemal całość mikroplastiku unoszącego się w wodzie. Victoria Ou i Justin Huang, siedemnastoletni licealiści z Teksasu, zbudowali je z rurki i przetworników wytwarzających ultradźwięki. W testach laboratoryjnych ich wynalazek usuwał od 84 do 94 procent mikroplastiku w jednym cyklu, bez chemikaliów i bez dużego zużycia energii. Za projekt nastolatkowie odebrali nagrodę Gordon E. Moore Award i planują teraz dopracować urządzenie tak, by mogło pracować poza laboratorium.
Ultradźwięki zamiast sit i chemikaliów w usuwaniu mikroplastiku
Sercem wynalazku jest niewielka rurka wyposażona w dwie stacje przetworników, które wytwarzają fale ultradźwiękowe. Kiedy woda przepływa przez środek urządzenia, fale generują siłę akustyczną odpychającą cząstki mikroplastiku w stronę jednego końca rurki, podczas gdy oczyszczona woda swobodnie płynie sobie dalej. Cząstki zbierają się w skupiska, które można później odfiltrować mechanicznie, bez dodawania jakichkolwiek substancji chemicznych do wody. Prosty układ. Bez pomp wysokociśnieniowych, bez podgrzewania i bez filtrów, które trzeba regularnie wymieniać.
Rozwiązanie nie wymaga dodawania koagulantów chemicznych ani podgrzewania wody, więc nie zostawia po sobie żadnych ubocznych związków. Nie potrzebuje też sit mechanicznych, które przy mikroplastiku szybko się zapychają.
Skąd u nastolatków pomysł na filtrowanie mikroplastiku
Zainteresowanie tematem zanieczyszczenia wody plastikiem sięga u Ou piątej klasy szkoły podstawowej, kiedy dziewczyna przygotowywała projekt o globalnym problemie środowiskowym i natrafiła na dane o mikroplastiku w jedzeniu i wodzie pitnej. Justina Huanga zna od tamtego okresu. Razem chodzą do The Woodlands College Park High School w Teksasie i od lat startują w tych samych szkolnych konkursach naukowych. Impuls do wspólnego projektu dała dopiero wizyta w lokalnej oczyszczalni ścieków. Na miejscu licealiści zobaczyli z bliska, z jakimi trudnościami instalacja mierzy się przy usuwaniu drobin plastiku z wody.
W trakcie zwiedzania instalacji dowiedzieli się, że w Stanach Zjednoczonych mikroplastik nie podlega regulacjom Agencji Ochrony Środowiska (EPA), mimo że cząstki te trafiają później do wody pitnej. Zainteresowanie ochroną środowiska u Huanga sięga wcześniej, do filmu animowanego WALL-E, który oglądał w dzieciństwie. To był ich pierwszy wspólny projekt naukowy i pierwszy wyjazd na finał Regeneron ISEF.
Powód przyznania głównej nagrody za walkę z mikroplastikiem
Finał Regeneron International Science and Engineering Fair odbył się w maju 2024 roku. Do Los Angeles zjechali wtedy młodzi naukowcy z dziesiątek krajów, którzy wcześniej musieli wygrać własne, lokalne albo krajowe eliminacje, żeby w ogóle dostać szansę zaprezentowania swojego projektu na międzynarodowej scenie. Tam urządzenie Ou i Huanga osiągnęło w testach laboratoryjnych skuteczność od 84 do 94 procent w jednym cyklu filtracji. Wynik zwrócił uwagę jury. Nagrodę Gordon E. Moore Award przyznaje się projektom, które mogą realnie poprawić życie przyszłych pokoleń, nie tylko za pomysłowość, ale za mierzalny efekt. Nastolatkowie zdobyli dodatkowo pierwsze miejsce i 5 tysięcy dolarów w kategorii Earth and Environmental Sciences.
Ou i Huang sprawdzali działanie urządzenia przy różnych rozmiarach rurki i różnym natężeniu przepływu wody, testując je również na różnych rodzajach tworzyw sztucznych. Za każdym razem system usuwał co najmniej 85 procent cząstek, niezależnie od zmienianych parametrów.
Regeneron ISEF, konkurs który nagrodził walkę z mikroplastikiem
Regeneron International Science and Engineering Fair to największy na świecie konkurs naukowy dla uczniów szkół średnich. Od ponad siedemdziesięciu lat organizuje go amerykańska organizacja Society for Science, a finaliści przyjeżdżają na niego z kilkudziesięciu krajów po tym, jak wygrają lokalne i krajowe eliminacje. Nagrody sięgają dziesiątek tysięcy dolarów. Projekty ocenia się między innymi według oryginalności pomysłu i rzetelności metody badawczej, nie tylko według efektowności prezentacji.
Filtracja akustyczna kontra tradycyjne metody usuwania mikroplastiku
Dotychczasowe metody usuwania mikroplastiku z wody opierają się głównie na koagulantach chemicznych albo na sitach mechanicznych. Koagulanty, takie jak popularny wodorotlenek glinu, łączą ze sobą cząstki plastiku w większe, łatwiejsze do wyłapania skupiska, ale przy okazji zmieniają odczyn wody i same stają się jej potencjalnym zanieczyszczeniem. Sita mechaniczne z kolei szybko się zapychają i wymagają częstej wymiany.
Metoda akustyczna omija oba te problemy. Fale ultradźwiękowe nie zmieniają składu chemicznego wody i nie zużywają się jak filtr, dzięki czemu urządzenie można stosować wielokrotnie bez wymiany części. Do działania wystarcza niewielki przetwornik zasilany niskim napięciem, a nie pompy wysokociśnieniowe typowe dla filtracji przemysłowej, co czyni całe rozwiązanie tanim w utrzymaniu.
Zastosowania urządzenia do usuwania mikroplastiku, od pralek po oczyszczalnie ścieków
Urządzenie mogłoby najpierw trafić do dużych instalacji, takich jak oczyszczalnie ścieków i fabryki tekstylne, gdzie mikroplastik pojawia się w wodzie w największych ilościach. Mniejsze wersje systemu mogłyby też zasilić wiejskie sieci wodociągowe, którym brakuje rozbudowanej infrastruktury filtracyjnej.
Chodzi o dwie skale, przemysłową i domową. W skali domowej urządzenie mogłoby trafić do pralek, gdzie podczas prania ubrań z włókien syntetycznych uwalniają się drobiny plastiku. Ta sama technologia nadawałaby się też do akwariów, gdzie utrzymanie czystej wody bez chemikaliów ma znaczenie zarówno dla ryb, jak i dla osób, które się nimi opiekują.
Droga od domowego prototypu do masowej produkcji urządzenia na mikroplastik
Obecny prototyp powstał niemal w całości w warunkach domowych. Zanim urządzenie trafi do przemysłowego zastosowania, konieczne jest przejście na sprzęt klasy laboratoryjnej i dokładniejsze zrozumienie samego zjawiska fizycznego stojącego za działaniem fal akustycznych na cząstki mikroplastiku. Obecna wersja filtruje też ograniczoną ilość wody na raz. To wciąż mało. Kolejnym krokiem ma być zbudowanie większego systemu, który poradzi sobie z realnymi wolumenami ścieków.
Nagroda w wysokości 50 tysięcy dolarów ma pomóc sfinansować kolejny etap prac. Pieniądze pozwolą przejść z domowych testów do pracowni wyposażonej w profesjonalny sprzęt pomiarowy. Do przemysłowego zastosowania jest jeszcze daleka droga, bo obecna wersja urządzenia pozostaje prototypem testowanym w niewielkiej skali.
