Även mitt i en regeringsnedläggning kan Washington, DC, vara en hektisk plats. Åtminstone var det för de 30 mellanstadieelever som nyligen reste till landets huvudstad för att tävla om priser i en tävling som heter Broadcom MASTERS.
Var och en av de 14 flickorna och 16 pojkarna kvalificerade sig till den tre dagar långa forskartävlingen på grundval av ett projekt som anmälts till en lokal eller regional vetenskapsmässa. Finalisterna, hämtade från 17 stater, genomförde originalforskning om allt från genetiskt modifierade mikrober till raketflygning.
)
Det individuella projektet räknade till bara en fjärdedel av varje finalists poäng. De återstående tre fjärdedelarna berodde på hur bra varje elev presterade under en serie projekt som hanterades som en del av team med fem medlemmar.
“Den här tävlingen handlar egentligen om hur de kan arbeta som en del av ett team”, förklarar Paula Golden. Hon är verkställande direktör för Broadcom Foundation, baserad i Irvine, Kalifornien. Broadcom Foundation sponsrar den årliga Math, Applied Science, Technology and Engineering för Rising Stars – eller MASTERS – tävlingen. Evenemanget är ett program av Society for Science & the Public, som också publicerar Science News for Students.
Vid en prisceremoni den 1 oktober tog två studenter hem de bästa kontantpriserna på $25 000 respektive $10 000. De var dock inte de enda vinnarna. Åtta andra elever fick också stora utmärkelser. Här beskriver vi deras individuella projekt.
“Jag tycker om att tänka på det individuella projektet som det som fick en elevs fot inom dörren här”, säger Golden.
För dessa elever gav tävlingen första och andra platspriser inom naturvetenskap, teknik, teknik och matematik. De fyra fälten är tillsammans kända under akronymen STEM. Priserna, värda $3 500 respektive $2 500, hjälper till att täcka kostnaderna för att delta i ett STEM-orienterat läger som varje vinnare väljer.
STEM-vinnarna är, liksom deras projekt, ett mångsidigt gäng. Låt oss lära oss mer om dem – och den spetsforskning som förde dem till Washington.
Vetenskap
De två vinnarna i den här kategorin kan med rätta kallas en del av “Kalifornienpubliken”. Båda kommer från Golden State (liksom ytterligare tre finalister gjorde).
Keoni Gandall tog första platsen i vetenskapskategorin för att utveckla en sätt att genmanipulera en salttolerant mikrob.
James Eaton (IML Photography)/SSP
Keoni Gandall, 14, från Huntington Beach, fick första plats i vetenskap. Han utvecklade ett sätt att genmanipulera en typ av salttolerant mikrob. Kallas en arkeon (Ar KEE på), denna organism ger vanligtvis salt en rosa färg. Keonis projekt skulle ha lagt till en gen som får arkeonen att lysa grönt. Projektet visade sig vara särskilt utmanande eftersom arten han valde växer mycket långsamt. Det tar inte heller upp bitar av en annan organisms DNA särskilt lätt, förklarar Keoni. Och tekniken han använde för att modifiera mikrobens gener fungerade inte lika bra som den hade i tidigare projekt.
Till slut fick Keoni också slut på de dyra materialen som behövdes för det sista steget i detta senaste projekt. Även om Keoni inte slutförde det steget, visade han hur det var möjligt att förändra organismens genetiska sammansättning.
Det bästa av allt, säger Keoni, projektet lärde honom värdefulla lektioner: För sitt nästa projekt kommer han att arbeta med jäst. Dessa organismer växer snabbt och inkorporerar lätt DNA. Sådana egenskaper kommer att göra hans framtida försök med genteknik mycket mer sannolikt att lyckas. Ett sådant projekt skulle involvera att lägga till gener som gör att jäst kan utnyttja solljus och göra sina egna energibärande molekyler.
Julienne Sauer vann en andra plats i naturvetenskap för sina analyser av supraledare som kan vara användbara när man arbetar med satelliter som kretsar runt jorden.
James Eaton (IML Fotografi)/SSP
Julienne Sauer, 14, från San Ramon, tog andraplatsen i vetenskapskategorin. Hon studerade ett högteknologiskt material som kallas supraledare. El strömmar genom supraledare utan motstånd. (De flesta supraledande material beter sig bara på detta sätt när det är väldigt kallt.)
Inuti ett starkt magnetfält kommer de flesta supraledare att sväva i luften. Eftersom supraledare rör sig fritt fram och tillbaka med liten friktion, kan de en dag hjälpa till att minska energin som används i många former av transporter, inklusive tåg.
Julienne studerade en mindre vanlig typ av supraledare. Den svävar också i luften när den utsätts för ett starkt magnetfält. Men den rör sig inte fritt fram och tillbaka. Istället stiger den upp i luften och sitter kvar, förklarar hon.
Sådana material kan vara mycket användbara i rymdens mikrogravitation, konstaterar Julienne. Där kunde materialen införlivas i en mekanisk arm och användas för att flytta eller manipulera rymdsatelliter som genomgår reparation. Supraledaren skulle säkerställa att armen och satelliten aldrig fick direkt kontakt. Det skulle minimera oddsen för bucklor eller på annat sätt skada en satellit. Det skulle också minska risken för elektriska urladdningar, som kan skada elektronisk utrustning inuti.
Teknologi
Vinnare i kategorin teknik tog hem priser för projekt relaterade till medicin och miljö.
Austin McCoy vann första plats i teknik för att skapa ett lågkostnadssystem som läkare i utvecklingsländer kan använda för att snabbt och exakt diagnostisera sjukdomar som t.ex. som denguefeber.
James Eaton (IML Photography)/SSP
Austin McCoy, 13, från Rochester, Minn., tog första platsen för en enhet som läkare en dag kan använda för att diagnostisera sjukdom. Hans nya enhet hämtar en del av DNA:t från sjukdomsframkallande bakterier eller virus som kan förorena mänskligt blod. (DNA, förkortning för deoxiribonukleinsyra, är en lång, spiralformad molekyl inuti de flesta levande celler. Den bär genetiska instruktioner.) Efter att ha extraherat DNA från en bakterie som infekterar någon, fortsätter enheten att göra miljontals kopior av det DNA:t. Läkare behöver så många extra kopior för att ha tillräckligt med material för att identifiera vilken bakterie som har infekterat en patient. Stor, skrymmande labbutrustning finns redan för att göra samma sak. Men det kostar vanligtvis cirka 10 000 dollar eller mer, säger Austin. Hans enhet är gjord av delar till ett värde av cirka $80, inklusive pumpar, ventiler, termometrar, lite skrotisolering och en hink. Austins version är också enkel att använda. Och den ger svar på cirka 90 minuter. Det är något snabbare än de större labbenheter som nu används.
Austin designade sin enhet så att den enkelt kan tas isär och återmonteras. Användare kan koppla in enheten för att driva den. De kan också driva den från solpaneler eller batterier. Det betyder att läkare kan bära enheten från klinik till klinik. De kanske till och med använder det i fattiga regioner utan kliniker eller elektricitet, konstaterar han.
“Att eventuellt kunna hjälpa människor i utvecklingsländer är en dröm som går i uppfyllelse”, säger Austin.
Han arbetade med en mentor som är vetenskapsman vid Mayo Clinic, som ligger i hans hemstad. Nästa år ska de två göra en resa till Indien. Där planerar de att sätta den nya enheten på prov för att hjälpa läkare att bekämpa en sjukdom som kallas denguefeber (DEN gee). Denna förödande virusinfektion orsakar feber, svår huvudvärk och muskel- och ledvärk. Den infekterar upp till 100 miljoner människor i tropikerna och närliggande områden varje år.
Myggor sprider fyra olika versioner av dengueviruset, förklarar Austin. Läkare kan inte identifiera den bästa behandlingen för sjukdomen förrän de vet vilken version som infekterar en patient. Genetiska tester med Austins enhet borde snabbt kunna ge den informationen.
Rebecca Bloomfield tog andraplatsen i teknik för att undersöka hur man bäst kontrollerar erosion i områden som är berövade vegetation av skogsbränder.
James Eaton (IML Photography)/SSP
Rebecca Bloomfield, 14, från Colorado Springs, Colorado, tog andraplatsen i teknologikategorin för ett projekt inspirerat av en lokal tragedi. 2012 brände Waldo Canyon-branden stora delar av hennes samhälle. Hennes hem brann inte, men det gjorde de hos nästan 350 andra familjer. Branden förstörde också många träd och annan växtlighet som höll jorden på plats i de omgivande kullarna. När Rebecca senare besökte dessa drabbade områden såg hon att arbetare hade spridit halm över marken. Deras mål var att förhindra att ny exponerad jord sköljs bort – en process som kallas erosion. Men Rebecca visste att eftersom halm flyter, kan det sköljas bort med nästa stora regn. Hon bestämde sig för att undersöka vilka andra material som kunde hindra de branta ravinerna nära hennes hem från att erodera innan tillräckligt med vegetation växte tillbaka för att förankra jorden.
Hon började med att bygga ett brett trätråg. Sedan lade hon till småsten och grus för att simulera den exponerade jorden på en nybränd sluttning. Trågets lutning kunde justeras mellan 0 grader (perfekt horisontellt) och 70 grader (liknar några av de brantaste sluttningarna i närheten).
För varje test täckte Rebecca gruset med ett annat material för att undersöka hur väl det begränsade erosion under en simulerad nederbörd. Hon använde strimlat trä, halm och apelsinskal. Hon testade också små sektioner av stockar som satts på plats. Genom att justera trågets lutning kan hon även testa materialens prestanda på olika sluttningar.
Rebecca simulerade regn genom att spruta vatten över tråget, skölja det med så mycket som 12 liter (lite mer än 2,6 gallon) varje minut. Det är ungefär lika mycket vatten som skulle rinna över ytan under stormar så extrema att de bara träffar hennes område ungefär en gång vart 25:e år.
Rebecca hade förväntat sig att den rivna träkomposten skulle visa sig vara mest effektiv för att stoppa erosion. Hennes tester visade inte det. Där vattenflödet över marken var högst — särskilt där sluttningen var mycket brant — var det bara stockarna som hindrade gruset från att sköljas bort.
Rebecca vill en dag bli fältbiolog. Hon hoppas kunna använda sitt pris för att resa till staten Washington och delta i “herpläger”. Det är där eleverna arbetar med herpetologer, de forskare som studerar groddjur och reptiler som salamander, grodor, ormar och sköldpaddor.
Teknik
Båda projekten som fick högsta utmärkelser inom teknik gläder sinnena — bokstavligen.
Mihir Garimella kom först inom tekniken för att utveckla en datorstyrd enhet som kan reproducera specifika lukter.
James Eaton (IML Photography)/SSP
Mihir Garimella, 14, från Pittsburgh, Pa., placerades först för att ha uppfunnit en enhet som sprejar kemikalier för att reproducera specifika dofter. Hans inspiration: Indiens unika dofter. Det är där hans föräldrar kommer ifrån och där hans familj ofta hälsar på. “Jag njuter av dofterna där,” konstaterar han, “och saknar dem när jag kommer hem.” Så tonåringen bestämde sig för att ta reda på hur man kopierar dessa dofter. Om det lyckas kan Mihir sätta på dofterna under webbchatt med avlägsna familjer. “På det sättet kunde jag se mina farföräldrars trädgård och lukta på den också”, säger han. För sin prototyp använde Mihir fem uppsättningar delar från kommersiella luftfräschare. Han kopplade dem till en dator så att den skulle släppa ut en kontrollerad mängd av en eller flera doftande kemikalier på kommando. (Forskning tyder på att det bara finns 10 olika kategorier av lukter, säger Mihir. Det betyder att det kan krävas en enhet som bara är lite större än hans prototyp för att återskapa nästan vilken doft som helst, förklarar han.)
Tonåringen skulle vilja bli robotingenjör. Så han kan använda sina prispengar för att delta i ett sommarläger, möjligen vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, eller vid Stanford University i Palo Alto, Kalifornien. Möjligheten skulle låt Mihir lära sig ännu mer om datorprogrammering. Hittills har han redan utvecklat en smartphone-app som används av mer än 900 av hans skolkamrater.
Sidhika Balachandar fick andra plats i teknik för att undersöka alternativ för ljudisolering av sin mammas hemmakontor.
James Eaton (IML Photography)/SSP
Sidhika Balachandar, 14, från Gainesville, Florida, kom på andra plats i teknik. Hon hittade på ett sätt att dämpa distraherande ljud. Sidhika spelar flöjt. Ofta övar hon i sitt sovrum, som delar vägg med sin mammas hemmakontor. Så hennes forskning var inspirerad av ett verkligt problem: hur man tränar utan att störa sin mamma. Sidhika började med att placera en stereohögtalare i en kartong. Hon använde högtalaren för att skrika en konsekvent ton. Därefter använde hon en ljudmätare för att mäta hur hög tonen var på olika avstånd från lådan och i olika vinklar. Dessa utgjorde hennes baslinjemätningar. Sedan slog hon in lådan med olika isoleringsmaterial och körde ljudtesterna igen.
Sidhika täckte lådan med skumisolering (den typ som finns i sprayburkar i många heminredningsbutiker) och block av styv frigolit. Hon testade även ljudisolerande plattor, precis som de som används i undertaket i källare och kontorsbyggnader. Hon försökte till och med slå in lådans väggar i ett vackert gobelängtyg.
Vissa resultat gav “konstiga biverkningar”, konstaterar hon. “Ibland, när jag var längre bort från högtalaren – där volymen borde ha minskat – ökade den faktiskt.” Hon misstänker att ljudmätaren kan ha fångat upp ekon som studsar mot väggarna i rummet där hon gjorde sina tester.
Takplattor ljudisolerade bäst, fann Sidhika. Men två lager gobeläng presterade nästan lika bra. “Dessutom ser det mycket bättre ut”, påpekar hon, “och jag tror att min mamma skulle gilla det mer.”
Tonåringen skulle vilja använda sin utmärkelse för att delta i läger där hon kunde studera fysik eller ingenjörsvetenskap. “Jag vill bli ingenjör för att jag är bra i naturvetenskap och matematik”, säger hon. “Jag är alltid nyfiken på hur saker fungerar eller varför något händer.”
Matematik
Båda årets högtflygande projekt i kategorin matematik relaterar i någon mening till aerodynamik. Det är studien av hur luft interagerar med ett fast föremål, som en raket eller en kanonkula.
Johann Kailey-Steiner tog förstaplatsen i matematik för att ha experimenterat på ett sätt för att minska luftmotståndet på hans modellraketer.
James Eaton (IML Photography)/SSP
Johann Kailey-Steiner, 13, från Denver, Colo., tog högsta priset i denna kategori för att ha minskat luftmotståndet på modellraketer. Raketer upplever motstånd som den bromsande kraft som luften utövar. Han har studerat samma ämne i tre år i sträck. När han var 11 år testade han en grundläggande design för en modellraket. Året därpå märkte han att en raket ibland flyger högre efter att små tejpbitar börjat lossna från raketens kropp. En närmare titt antydde att tejpflikarna orsakade turbulens i luften. Och det verkade minska motståndet, vilket gjorde att raketerna kunde stiga högre.
I år ville Johann dra fördel av detta dragskärningsfenomen. Så han lade till små blad på utsidan av raketen. Den stora utmaningen, säger han, var att ta reda på var de skulle placeras.
När Johann testade sina konstruktioner i en vindtunnel, fann han att de små bladen skar drag först när han placerade sin raket i en liten vinkel mot vinden. Under flygning kan detta inträffa efter att en rakets motor slutar bränna bränsle. Så han designade bladen så att de bara hoppar ut när raketen börjar sakta ner, efter att dess motor stängs av.
Och det fungerade. Nästa år kan han försöka bestämma den bästa storleken och formen för dessa små, motståndsminskande blad.
Johann tycker om att uppfinna och bygga modeller. Han gillar också att flyga och har redan tagit några flyglektioner. Det är ett intresse som finns i hans familj: Båda hans föräldrar är piloter.
I sommar vill Johann använda sitt pris för att delta i rymdläger. Där kan han kanske få uppleva bland annat en realistisk rymdfärjesimulator.
Joshua Wentzel knep andra plats i matematik för att analysera sätt att öka prestandan hos en hemmabyggd luftkanon.
James Eaton (IML Photography)/SSP
Joshua Wentzel, 14, från Portland, Ore., tog tvåa -placera utmärkelser i matematik för att ha analyserat prestandan hos en luftkanon som han byggde för att kasta golfbollar. Ett avsnitt av TV-programmet MythBusters inspirerade honom. Tonåringen gjorde kanonen med PVC-rör, sprinklerventiler och andra delar från den lokala järnaffären. Han trycksatte sin kanons luftreservoar med hjälp av en cykelpump. Joshua kunde ändra tre aspekter av kanonen: längden på dess pipa, volymen på dess luftreservoar och trycket inuti behållaren. Konstigt nog visade tester att det högsta trycket inte alltid fick golfbollarna att flyga längst. Istället kastade kanonen dem det största avståndet när volymen på pipan och volymen på tryckbehållaren var nästan densamma. Så småningom sköt Joshuas luftkanon bollar i hastigheter på mer än 61 meter (200 fot) per sekund, eller cirka 219 kilometer (136 miles) per timme.
Joshua hoppas på att bli maskiningenjör, men han är också intresserad av datorprogrammering. Så fort han kom hem från Broadcom MASTERS-evenemanget, tog han bort många av kablarna från sin familjs TV och använde dem för att koppla upp Raspberry Pi-datorn som gavs till varje finalist. (Nästa dag gick han ut och köpte nya egna kablar.)
Joshua planerar att delta i ett vetenskapsläger ägnat åt datorprogrammering. Han har deltagit i sådana läger förut där han haft jättekul – och lärt sig mycket – med att anpassa datorspel för att lägga till spelare eller andra funktioner.
Alla dessa STEM-mästare illustrerar inspirationens kraft i att bedriva original forskning. Och i många fall kastade ett problem eller en passion ganska nära hemmet av sig den där gnistan av inspiration.
Maktordaerodynamisk Har en form som minskar motståndet från luft som strömmar förbi.aerodynamik Den vetenskapliga studien av strömmande luft, särskilt när den interagerar med fasta föremål som en flygplansvinge, en bil eller en hög byggnad.aerodynamiska motstånd Kraften på ett föremål som orsakas av friktionen av luft som strömmar över dess yta (se även drag).app Förkortning för applikation eller ett datorprogram som är designat för en specifik uppgift.archaeon (plural archaea) En livsdomän som inkluderar encelliga organismer. Även om archaea ytligt liknar bakterier, är de distinkta. Archaea lever i många tuffa miljöer.denguefeber En potentiellt dödlig infektionssjukdom som överförs av myggor. Det finns ännu inget vaccin för att förhindra infektion med viruset som är ansvarigt för sjukdomen, vilket orsakar hög feber, svår huvudvärk, ledvärk, smärta bakom ögonen, utslag, skelettsmärta och ibland lindriga blödningar. En allvarligare form av sjukdomen, känd som dengue hemorragisk feber, kan orsaka okontrollerad blödning om den inte behandlas omedelbart.DNA (förkortning av deoxiribonukleinsyra) En lång, spiralformad molekyl inuti de flesta levande celler som bär genetiska instruktioner. I alla levande varelser, från växter och djur till mikrober, talar dessa instruktioner om för cellerna vilka molekyler de ska göra.
drag En bromsande kraft som utövas av luft eller annan vätska som omger ett rörligt föremål.
erosion Processen som tar bort sten och jord från en plats på jordens yta och sedan avsätter materialet någon annanstans. Erosion kan vara exceptionellt snabb eller extremt långsam. Orsaker till erosion inkluderar vind, vatten (inklusive nederbörd och översvämningar), skurverkan från glaciärer och de upprepade cyklerna av frysning och upptining som ofta förekommer i vissa delar av världen.
friktion Det motstånd som en yta eller ett föremål möter när man rör sig över eller genom en annan. Friktion orsakar i allmänhet en upphettning, vilket kan skada ytan på materialen som skaver mot varandra.
gen Ett DNA-segment som kodar, eller innehåller instruktioner, för att producera ett protein. Avkommor ärver gener från sina föräldrar. Gener påverkar hur en organism ser ut och beter sig.
genteknik Direkt manipulation av en organisms genom. I denna process kan gener tas bort, inaktiveras så att de inte längre fungerar, eller läggas till efter att ha tagits från andra organismer. Genteknik kan användas för att skapa organismer som producerar mediciner, eller grödor som växer bättre under utmanande förhållanden som torrt väder, varma temperaturer eller salta jordar.
herpetolog En vetenskapsman som studerar biologin hos reptiler och amfibier.magnetfält Ett område runt ett magnetiskt material där magnetismens kraft verkar.mikroorganism En levande varelse som är för liten för att se med blotta ögat, inklusive bakterier, vissa svampar och många andra organismer som amöbor. De flesta består av en enda cell.prototyp En första eller tidig modell av någon enhet som fortfarande behöver förbättras.smartphone En mobiltelefon (eller mobiltelefon) som kan utföra en mängd funktioner, inklusive sökning efter information om Internet.Styrofoam Ett varumärkesskyddat namn för en typ av styvt skum tillverkat av lätt polystyrenplast. Den används för allt från hempyssel till dekorativa prydnadssaker och byggnadsisolering.superledare Material som inte har något motstånd mot strömflödet, vanligtvis endast när de kyls under en viss temperatur. Supraledare stöter också bort alla magnetfält, vilket gör att de kan sväva i luften när de placeras inuti ett starkt magnetfält.
turbulens Det kaotiska, virvlande luftflödet. Flygplan som hamnar i turbulens högt över marken kan ge passagerarna en ojämn resa.
vindtunnel En anläggning som används för att studera effekterna av luft som rör sig förbi fasta föremål, som ofta är skalenliga modeller av föremål i verklig storlek som flygplan och raketer. Objekten är vanligtvis täckta med sensorer som mäter aerodynamiska krafter som lyft och drag. Ibland sprutar ingenjörer också in små strömmar av rök i vindtunneln så att luftflödet förbi objektet blir synligt.
Leave a Reply