اجلاس جهانی STEM موسوم به GSA که توسط آکادمی علوم نیویورک راه‌اندازی شده است، مراسم افتتاحیه خود را در جولای ۲۰۱۶ با حضور دانشمندان جوان برگزار کرد. بیش از ۲۰۰ نفر از دانش‌آموزان ۴۰ کشور مختلف در شهر نیویورک گرد هم آمدند. دانش‌آموزان شرکت‌کننده از طریق دو برنامه مجازی STEM «آکادمی جوانان (Junior Academy)» و «هزاردختر هزارآینده (۱۰۰۰ Girls,1000 Futures)» انتخاب شده بودند.

گروهی از دانش‌آموزان در رقابت نوآوری آکادمی جوانان که یکی از برنامه‌های سالانه اجلاس جهانی STEM است شرکت کرده‌بودند. شرکت‌های ARM و PepsiCo این رقابت را حمایت می‌کردند. ازجمله این رقابت‌ها در آکادمی جوانان چالش فناوری پوشیدنی ARM بود. در مراسم GSA، برنده چالش فناوری پوشیدنی ARM معرفی شد. گروه برنده یک سامانه قابل حمل تصفیه آب برای مکان‌هایی که به آب آشامیدنی دسترسی ندارند طراحی کرده بود.

گروه AquaeVitae درباره پروژه طراحی ساخت دستگاه تصفیه آب این‌گونه توضیح می‌دهد: «هنگامی‌که پروژه مربوط به تصفیه آب با فناوری نانو را در لیست برنامه‌های آکادمی جوانان دیدیم به این رقابت پیوستیم. با چت ویدیویی درباره راه‌حل‌های اجرای پروژه و تجربه‌های خودمان صحبت کردیم. پس از آن زمینه‌های پژوهشی متفاوت را بین خودمان تقسیم کرده و همکاری را آغاز کردیم.» هدف پروژه طراحی فناوری پوشیدنی با دوام و کاربردی و مقرون به صرفه و کم توان بود.

اعضای گروه AquaeVitae:

• Edita Bytyqi از مقدونیه
• Smiti Shah از نیویورک
• Vaidehi Shah از اسکاتلند
• Swadhin Nalubola از مریلند

مسیر حل مسئله بسیار پر پیچ و خم بود.

در گام اول هدف گروه، تصفیه تمام انواع آب از جمله آب شور دریا بود. پس از بررسی مشخص شد تصفیه آب دریا فضای زیادی نیاز دارد و عملی نخواهد بود. بنابراین تصفیه آب دریا را از کار خود حذف کردند. به سراغ فیلترهای مناسب برای تصفیه آب رفتند. فیلترکارتریج (cartridge) دارای غشای نایلونی است. این فیلتر دارای کوچک‌ترین منافذ است و ویروس‌ها را جذب خواهد کرد ولی ذرات محلول و باکتری‌ها را از خود عبور می‌دهد. قیمت این فیلتر برای این کار مقرون به صرفه نبود. فیلترهای سرامیکی نیز دارای اندازه بزرگی است و به دلیل داشتن منفذ‌های بسیار کوچک، نرخ شدت جریان آب عبوری از آن بسیار کم است. به همین دلیل این فیلتر نیز برای پروژه بهینه نبود. در نهایت از فیلتر کربن فعال با پایه پوست نارگیل استفاده شد. این فیلتر بسیاری از مواد شیمیایی موجود در آب را جذب خواهد کرد و دارای نرخ شدت جریان آب عبوری مناسبی نیز است.

برای از بین‌بردن آلودگی‌های میکروبی و ویروسی از فناوری نانو بهره بردند. از یک لایه نانولوله‌های کربنی چند جداره بر پارچه پنبه‌ای که الکتریسیته را بتواند هدایت کند استفاده شد. شدت جریان الکتریکی که در اثر پانل خورشیدی همراه با لایه نانولوله‌های کربنی تولید می‌شود برای از بین بردن باکتری‌ها کافی است و برای انسان نیز خطری ندارد. آزمایش این فرایند برای آب چشمه موفقیت‌آمیز بود و باکتری کلی‌فرم (coliform) موجود در آب را از بین برد.

در طراحی نهایی، صافی و توری استیل ضدزنگ برای حذف ذرات بزرگتر نیز به‌ کار برده شد. برای این‌که افراد قبل از نوشیدن آب از تمیزی آب مطمئن شوند از حسگرهایی استفاده کردند که تمیزی آب را آشکار می‌کند. هدف دستگاه تصفیه آب از بین بردن عوامل بیماری‌زا و باکتری‌ها و مواد شیمیایی و ذرات بزرگتر موجود در آب است. ذرات بزرگتر به راحتی قابل مشاهده هستند. پس به حسگرهایی برای آزمایش وجود باکتری‌ها و مواد شیمیایی و عوامل بیماری‌زا نیاز است.

تعادل بین کاربردی بودن و کم‌هزینه بودن

در طول تحقیقات مشخص شد که شناسایی عوامل بیماری‌زای ویروسی با روش‌های کم‌هزینه و ساده امکان‌پذیر نیست. هر سامانه آزمایش وجود ویروس‌ها حداقل ۴۰ دلار هزینه دارد و نیاز به مرحله راه‌اندازی طولانی مدت داشت. به همین خاطر تحقیقات بر حسگرهای شناسایی باکتری و مواد شیمیایی محدود شد. دو نوع از بهترین گزینه‌ها، استفاده از حسگر PH و حسگر TDS بود. از آن‌جا که همه باکتری‌ها نوعی ماده شیمیایی در آب تراوش می‌کنند، حسگری نیاز بود که وجود مواد شیمیایی در آب را آشکار کند. حسگر PH با اندازه‌گیری میزان تغییر PH آب و حسگر TDS با اندازه‌گیری غلظت مواد جامد محلول، مواد شیمیایی را تشخیص می‌دهند. استفاده از حسگر PH تقریبا غیرممکن است چون پس از هر استفاده نیاز به تمیز کردن و کالیبره کردن دارد، ولی حسگر TDS نیاز کمتری به تمیز شدن دارد و هزینه آن فقط ۱۲دلار است.

بلوتوث ردیاب Tile نیز برای جمع‌آوری داده‌ها در مکان استفاده از دستگاه تصفیه تعبیه شد. این ردیاب کمک می‌کند محل دستگاه مشخص شود و طراحان بتوانند تغییرات لازم را بر اساس نیاز افراد اعمال کنند.

همچنین گروه با شرکت‌های متعدد و سازمان‌های خیریه که در فراهم‌کردن آب آشامیدنی در کشورهای در حال توسعه تخصص داشتند تماس گرفتند. مارک بندر (Mark Bender) مدیر سازمان خیریه WATERisLIFE اطلاعات ارزشمندی در مورد چگونگی آزمایش دستگاه تصفیه در دنیای واقعی به گروه داد. در این راه علاوه بر در نظر گرفتن بعد مهندسی پروژه، جنبه انسانی آن نیز موردتوجه گروه قرارگرفت.

در نهایت ساخت دستگاه تصفیه آب که در یه کوله‌پشتی جای می‌گرفت به پایان رسید. این دستگاه شامل لایه‌های زیر است:
• صافی (حذف ذرات بزرگ مانند گردوغبار و برگ)
• توری استیل ضدزنگ ( جذب ذرات کوچکتر ولی قابل مشاهده)
• میدان الکتریکی تولیدشده توسط پانل خورشیدی کوچک (حذف باکتری‌ها)
• نانولوله‌های کربنی چندجداره (رسانای الکتریکی موردنیاز برای ایجاد میدان الکتریکی پانل خورشیدی و جاذب بسیاری از آلودگی‌ها)
• فیلتر کربن فعال (برای کلرزدایی و حذف فلزهای سنگین و نیترات و نیتریت)

افزون بر این فیلترها، دستگاه دارای حسگرهای TDS و GPS نیز هست.

منبع: Elsevier