Gitanjali Rao und Tethys: Wie ein Sensor Blei im Wasser erkennt

Gitanjali Rao war 9 Jahre alt, als sie im Fernsehen Bilder der Bleikrise im US-amerikanischen Flint sah und beschloss, eine Möglichkeit zur Hilfe zu finden. Mit 11 Jahren war aus dieser Idee bereits Tethys geworden: ein Prototyp mit einem Kohlenstoffnanoröhren-Sensor, der Blei im Wasser erkennen und das Ergebnis an eine Smartphone-App übermitteln konnte.

Was sah Gitanjali im Fernsehen, das die Idee auslöste?

2014 saß Gitanjali mit ihrer Familie beim Abendessen, als ein Fernsehbericht die Krise in Flint im Bundesstaat Michigan zeigte. Sie sah rostfarbenes Wasser aus den Wasserhähnen laufen und hörte Berichte über Bewohner, die Blei ausgesetzt waren. Der Gedanke, dass Kinder in ihrem Alter verunreinigtes Wasser trinken könnten, ließ die damals 9-Jährige nicht mehr los.

Am folgenden Tag fasste sie den Entschluss, nach einer Lösung zu suchen, die über das Spenden von Wasserflaschen hinausging. Über Monate hinweg recherchierte sie und verfolgte dabei auch Ansätze, die sich als ungeeignet erwiesen, bis ein Text über Kohlenstoffnanoröhren ihr Interesse weckte.

• Die Krise in Flint bildete den Ausgangspunkt für das Projekt;
• Gitanjali begann, Methoden zum Nachweis von Blei zu untersuchen;
• Mehrere frühe Lösungsansätze wurden verworfen;
• Kohlenstoffnanoröhren stieß sie bei ihrer Lektüre über Sensortechnik auf.

Wie entstand das Gerät namens Tethys?

Gitanjali stellte fest, dass Kohlenstoffnanoröhren bereits als Sensoren erforscht wurden, weil chemische Veränderungen in ihrer Umgebung ihren elektrischen Widerstand beeinflussen können. Daraufhin prüfte sie, ob sich dieses Prinzip auch zum Nachweis von Blei im Wasser einsetzen ließe. Den Namen Tethys erhielt das Projekt nach der griechischen mythologischen Figur, die mit Wasser verbunden ist.

Wie erkannte der Tethys-Sensor Blei und meldete es ans Smartphone?

Der fertige Prototyp bestand aus einem mit Chlorid dotierten Kohlenstoffnanoröhren-Sensor, einer per 3D-Druck hergestellten Konstruktion und einem Arduino-Prozessor. Reagierte das in der Probe enthaltene Blei mit dem Sensor, veränderte sich der elektrische Widerstand in einer Weise, die das System messen konnte.

Tethys wertete diese Veränderung aus und übertrug die Daten an eine Smartphone-App, die den Nutzer vor dem Schadstoff warnte. Ziel war eine schnelle und unkompliziertere Alternative zu Heimtests, deren uneinheitliche Ergebnisse Gitanjali beobachtet hatte, als ihre Eltern das Wasser zu Hause untersuchten.

• Der Sensor wurde mit der Wasserprobe in Kontakt gebracht;
• Blei löste eine messbare Widerstandsänderung aus;
• Ein Arduino verarbeitete die Sensordaten;
• Die Informationen wurden an eine App übertragen;
• Das Smartphone zeigte eine Warnung über das Vorhandensein des Metalls an.

Wie konnte ein 11-jähriges Mädchen den Tethys-Prototyp bauen?

Die Beschaffung der Materialien zählte zu den größten Herausforderungen. Da sie kein eigenes Labor hatte, baute Gitanjali zunächst einfache Konstruktionen, brachte sich mithilfe von Tutorials die Arduino-Programmierung bei und schrieb Wissenschaftlern, um die benötigten Nanoröhren zu erhalten. Nachdem sie das Finale der Discovery Education 3M Young Scientist Challenge erreicht hatte, arbeitete sie mit der Forscherin Kathleen Shafer zusammen und bekam Zugang zu den Komponenten, die sie für eine funktionsfähige Version von Tethys benötigte.

Was geschah, nachdem das Projekt fertig war?

Im Oktober 2017 gewann Gitanjali Rao im Alter von 11 Jahren die 3M Young Scientist Challenge. Sie erhielt den Titel America’s Top Young Scientist sowie ein Preisgeld von 25.000 US-Dollar. Der Erfolg folgte auf Monate, in denen sie das System weiterentwickelte und eine Idee, die vor dem Fernseher entstanden war, in ein Gerät mit konkreter Messfunktion überführte.

Auch nach dem Wettbewerb setzte sie ihre Arbeit fort. 2021 erhielt Gitanjali im Alter von 15 Jahren in den Vereinigten Staaten ein Patent für ein System und Verfahren zum Nachweis von Verunreinigungen im Wasser. Tethys blieb ein Prototyp in der Entwicklung und war kein unmittelbarer Ersatz für offizielle Labortests, zeigte jedoch, wie sich Sensoren, Elektronik und eine App verbinden lassen, um Blei schneller und leichter zugänglich zu identifizieren.