Während eines Urlaubs in Costa Rica im Jahr 2018 sah der damals zehnjährige Moitri Santra, dass das Wasser rot und braun schien. Obwohl sie es damals noch nicht wusste, blickte sie auf Red Tide, eine der vielen schädlichen Algenblüten, die Giftstoffe freisetzen, die für Fische, Schalentiere, Meeressäuger und Vögel, die sich von den vergifteten Fischen ernähren, tödlich sind. Darüber hinaus verbrauchen diese schädlichen Algenblüten den im Wasser vorhandenen Sauerstoff. Außerdem bemerkte sie überall am Strand Schilder, die die Menschen davor warnten, ins Wasser zu gehen. Der Globaler Inder würde dann eine Lösung entwickeln, um schädliche Algen zu ernten, wenn sie noch am Leben sind, und sie möglicherweise in Biokraftstoff umzuwandeln.
Was sind schädliche Algenblüten?
Als Moitri nach Florida zurückkehrte, begann sie mit der Erforschung giftiger Algen und stellte fest, dass dies ein schnell wachsendes Problem darstellt. Sie fand heraus, dass in einer siebenjährigen Studie der Zwischenstaatlichen Ozeanographischen Kommission der UNESCO in der Datenbank schädlicher Algenereignisse 9,503 Ereignisse mit Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft verzeichnet waren. „Es verunreinigt Meereslebewesen und Meeresfrüchte“, sagte die Teenagerin während ihres Vortrags für die 3M Young Scientists Challenge. Anschließend entwickelte sie einen Roboter und ein Filmgel, das Algen auf ein Substrat locken kann. Ihre Vision ist es, die Ozeane von schädlichen Algenblüten zu befreien, indem sie die Algen lebend einsammelt und in Biokraftstoff umwandelt.
Schädliche Algenblüten kommen natürlicherweise in Gewässern vor und können auch durch menschliche Aktivitäten gefördert werden. Phosphat- und Nitratabflüsse aus Düngemitteln sowie aus Abwasser und Sickerwasser (Flüssigkeit aus festen Abfällen) sowie übermäßige Sonneneinstrahlung können zur Vermehrung schädlicher Algenblüten führen. Sie neigen auch dazu, wärmere, ruhigere und flachere Gewässer zu bevorzugen. Es werden enorme Geldsummen ausgegeben, um Gewässer von diesen HABs zu befreien, allein die USA gaben im Jahr 1.1 2020 Milliarden US-Dollar aus. Es gibt auch Produkte zur Bekämpfung dieser Blüten, aber Moitri sagt, dass sie einfach nicht den Anforderungen genügen oder Schadstoffe enthalten sich.
Moitris Lösung
„Ich habe ein wasserlösliches, biologisch abbaubares und positiv geladenes Gel mit einem Citration und Zitronensäure hergestellt“, erklärt Moitri. Das im Gel enthaltene Chitosan und die Zitronensäure bewirken eine Koagulation der Algen. Sie verbrachte einen Sommerurlaub damit, mit Gelen und Substraten zu experimentieren und verwandelte das Esszimmer der Familie in ihr provisorisches Labor. „Diese Algenblüten gibt es überall, aber sie sind in Florida besonders ausgeprägt“, erklärt sie.
Das Gel von Moitri ist biologisch abbaubar und wasserlöslich, wodurch die Umweltbelastung verringert wird. Das Chitosan-Polymer quillt und trägt die Zitronensäure im Wasser im Gel. Das Gel löste in den Algen eine Koagulation aus, die dazu führte, dass sie zusammenklumpten, dichter wurden und zu Boden sanken. Allerdings führt der Prozess auch zu ihrem Tod. Durch den Zersetzungsprozess wird dem Wasser jedoch Sauerstoff entzogen, wodurch das Meeresleben rundherum abgetötet wird.
Ein funktionierender Prototyp
Ihr 3M-Mentor, Dr. Kannan Seshadri, half ihr bei der Wende. Moitri erkannte, dass Algen zur Herstellung von Biokraftstoff geerntet werden können, was wiederum Vorteile für die Umwelt mit sich bringt. „Ich habe mit Gelen, Pulvern und Flocken experimentiert und festgestellt, dass getrocknetes Filmgel effektiv auf dem Wasser schwimmt und Algen in weniger als einer Minute anzieht. Hierzu ist jedoch ein Substratmaterial erforderlich, um die Algen einzufangen. In ihrer frühen Version hatte Moitri einen Scotch-Brite-Schwamm verwendet, einen Vliesstoff mit ineinander verschlungenen Fasern. „Ich habe mit rund einem Dutzend Vliesstoffen aus Rayon, Viskose, Zellstoff, PA und Nylon experimentiert“, erklärt sie. „Ich habe mich nur für die hydrophoben entschieden, weil die hydrophilen Materialien Wasser aufsaugen und schwer werden. Schließlich entschied sie sich für PET-Vliesstoff.
Aber wie werden die Algen nach all dem geerntet? Dafür baute sie SCARAB, einen EV3-Roboter, der auf einem Boot eingesetzt werden kann. Das Substrat wird auf Spulen aufgebunden und unter einer „Führung“ befestigt, um das Material an Ort und Stelle zu halten. Das Material ist mit Gel beschichtet, und wenn die Motoren eingeschaltet sind, dreht sich die Spule langsam gegen den Uhrzeigersinn, wodurch das Substrat immer wieder aufgelöst wird, um Algen zu sammeln. Das Material des Substrats ermöglicht auch den Algeneinschluss. „Am Ende des Prozesses sind die Algen lebendig. Ich habe es unter dem Mikroskop untersucht und es war eindeutig in Bewegung“, fügt sie hinzu.
Die 3M Challenge und Broadcom Masters
Sie schreibt einen Großteil ihres Erfolgs ihrem Mentor, Dr. Kannan Seshadri, zu. „Er hat mir geholfen, aus meiner einfachen Idee einen funktionierenden Prototypen zu machen“, sagt Moitri. „Ich dachte darüber nach, die Algen zu versenken, und er ließ mich erkennen, dass sie möglicherweise noch mehr Umweltschäden verursachen könnten.“ Moitris nächste Herausforderung besteht darin, die Algen vom Streifen zu entfernen, ohne ihn zu beschädigen, was sie mit einer Grundierung erreichen möchte. „Wenn der richtige Primer verwendet wird, kann dies auch die Wiederverwendbarkeit des Streifens erhöhen“, sagt sie. Sie hofft, dass ihre Innovation auf der ganzen Welt eingesetzt wird und dass diese geernteten Algen schließlich zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden.
Im Jahr 2022 belegte Moitri beim Broadcom MASTERS außerdem den zweiten Platz in der Kategorie Technologie und gewann einen Geldpreis sowie die Möglichkeit, an einem MINT-Sommercamp teilzunehmen. Sie beschloss, ihrem Interesse an Medizin und der medizinischen Universität im Rahmen des Pre-College Summer Program der University of Connecticut nachzugehen, dessen Schwerpunkt auf dem Medizinstudium liegt. Dort verbrachte sie ihre Zeit damit, morgens Vorlesungen zu besuchen und nachmittags praktische Lektionen zu nehmen, wobei sie jeden Tag eine andere Spezialisierung erkundete. „Mit Hilfe von Schaufensterpuppen haben wir Notfallsituationen simuliert“, sagt Moitri, der schon immer vom menschlichen Körper und seinen vielen komplexen Funktionen fasziniert war.