Als die Pandemie die Schulen zum Fernunterricht zwang, stellte die Wissenschaftslehrerin Rebecca Bushway aus der Region Washington ihren Schülern eine ehrgeizige Aufgabe: Entwerfen und bauen Sie einen kostengünstigen Bleifilter, der an Wasserhähnen befestigt wird und das giftige Metall entfernt.
Mithilfe von 3D-Druck und Chemie auf High-School-Niveau verfügt das Team nun über einen funktionierenden Prototyp – ein drei Zoll (7,5 Zentimeter) hohes Filtergehäuse aus biologisch abbaubarem Kunststoff, das sie hoffentlich für 1 US-Dollar pro Stück auf den Markt bringen können.
„Die Wissenschaft ist einfach“, sagte Bushway gegenüber bei einem kürzlichen Besuch der Barrie Middle and Upper School in einem Vorort von Maryland, wo sie den Filter in Aktion demonstrierte.
„Ich dachte: ‚Wir haben diese 3D-Drucker. Was, wenn wir so etwas machen?'“
Bushway hat den Prototyp auf vier Konferenzen vorgestellt, einschließlich der renommierten Frühjahrstagung der American Chemistry Society, und plant, mit einem Artikel in einer Fachzeitschrift voranzukommen.
Noch immer erhalten bis zu 10 Millionen Haushalte in den USA Wasser durch Bleileitungen, wobei die Exposition in der Kindheit besonders schädlich ist.
Das Metall, das sich einer zentralen Abwehr des Körpers, der Blut-Hirn-Schranke, entzieht, kann zu einem dauerhaften Verlust der kognitiven Fähigkeiten führen und zu psychischen Problemen beitragen, die anhaltende Armutszyklen verschlimmern.
Ein ernsthaftes Kontaminationsproblem, das 2014 in Flint, Michigan, aufgedeckt wurde, ist vielleicht die bekannteste Katastrophe der jüngsten Zeit – aber Bleivergiftung ist weit verbreitet und betrifft Afroamerikaner und andere Minderheiten überproportional, erklärte Barrie-Teammitglied Nia Frederick.
„Und ich denke, das ist etwas, bei dem wir helfen können“, sagte sie.
Die Schäden einer Bleivergiftung sind seit Jahrzehnten bekannt, aber die Lobbyarbeit der Bleiindustrie verhinderte bis in die letzten Jahrzehnte sinnvolle Maßnahmen.
Die Regierung von Präsident Joe Biden hat Milliarden von Dollar aus einem Infrastrukturgesetz zugesagt, um die Entfernung aller Bleirohre des Landes in den kommenden Jahren zu finanzieren – aber bis dahin brauchen die Menschen jetzt Lösungen.
Ein cleverer Trick
Bushways Idee war es, die gleiche chemische Reaktion zu verwenden, die zur Wiederherstellung von kontaminiertem Boden verwendet wird: Wenn gelöstes Blei Kalziumphosphatpulver ausgesetzt wird, entsteht ein festes Bleiphosphat, das zusammen mit harmlosem freiem Kalzium im Filter verbleibt.
Der Filter hat einen cleveren Trick im Ärmel: Unter dem Calciumphosphat befindet sich ein Reservoir einer Chemikalie namens Kaliumiodid.
Wenn das Calciumphosphat aufgebraucht ist, reagiert gelöstes Blei mit Kaliumjodid und färbt das Wasser gelb – ein Zeichen dafür, dass es Zeit ist, den Filter auszutauschen.
Der Student Wathon Maung verbrachte Monate damit, das Gehäuse mit einer 3D-Drucksoftware zu entwerfen, und ging dabei viele Prototypen durch.
„Das Tolle daran war, dass es eine Art kleines Rätsel ist, das ich lösen musste“, sagte er.
Calciumphosphat verklumpte im Filter und verlangsamte die Reaktion. Aber Maung stellte fest, dass er durch den Einbau von sechseckigen Abschrägungen den Wasserfluss sicherstellen und ein Verklumpen verhindern konnte.
Das Ergebnis ist eine Durchflussrate von zwei Gallonen (neun Liter) pro Minute, die normale Rate, mit der Wasser aus einem Wasserhahn fließt.
Als nächstes möchte das Barrie-Team ein Instrument namens Spektrophotometer einbauen, das die Gelbfärbung des Wassers erkennt, noch bevor es für das menschliche Auge sichtbar ist, und dann ein kleines LED-Warnlicht einschaltet.
Paul Frail, ein Chemieingenieur, der nicht an der Arbeit beteiligt war, sagte, die Gruppe verdiene „unglaublich viel Anerkennung“ für ihre Arbeit, die allgemeine chemische Konzepte mit 3D-Druck kombiniert, um ein neuartiges Produkt zu entwerfen.
Er fügte jedoch hinzu, dass der Filter weitere Tests mit Ionenchromatographie-Instrumenten erfordern würde, die allgemein in Universitäten oder Forschungslabors verfügbar sind, sowie Marktforschung, um die Nachfrage zu ermitteln.
Bushway ist zuversichtlich, dass es eine Nische gibt. Umkehrosmosesysteme, die die gleiche Rolle erfüllen, kosten Hunderte bis Tausende von Dollar, während Kohleblockfilter, die für etwa 20 Dollar erhältlich sind, alle paar Monate ausgetauscht werden müssen, was häufiger ist als der Filter ihrer Gruppe.
„Ich bin überglücklich stolz auf diese Studenten“, sagte Bushway und fügte hinzu, dass die Gruppe hoffe, mit Partnern zusammenarbeiten zu können, um das Design fertigzustellen und in großem Maßstab zu produzieren.
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