Von Uster nach St. Gallen – und dann nach Mexiko! Auf diese Reise begaben sich die Physiklaborant-Lernende Sofie Gnannt und Nick Cáceres aus dem vierten Lehrjahr im November 2022 als sie am Lehrlingswettbewerb Züri-Oberland – einer Ausstellung mit 34 Projekten und einer vierstelligen Besucherzahl – sowohl den «Preis der Jury» als auch den «Teilnehmerpreis» für ihr Projekt «Kunststofftrennung mit Terahertzstrahlung» gewannen.

Nach dem Erfolg in Uster ging es im April 2023 für die beiden weiter nach St. Gallen an das Finale des 57. Nationalen Wettbewerbs von «Schweizer Jugend forscht» (SJF), wo Sofie und Nick die Möglichkeit erhielten, sich mit Jugendlichen – vorwiegend Gymnasiasten – aus der ganzen Schweiz zu messen. Nach der SJF-Vorausscheidung im Januar 2023 in Bern wurden die zwei durch einen ausgewiesenen Experten von SJF begleitet und konnten ihre Forschung noch vertiefen. Dabei entstand eine Projektarbeit, die einer Fachjury sowie der breiten Öffentlichkeit präsentiert wurde – um schliesslich mit dem Prädikat «hervorragend» sowie dem von der Metrohm-Stiftung gesponserten Sonderpreis «MILSET Expo-Sciences International» (ESI) ausgezeichnet zu werden.

Ein Stück Kunststoff wird mittels «Terahertz Time Domain Spectroscopy» auf dessen Interaktion mit der Strahlung untersucht und anschliessend klassifiziert. Bild: Empa

Der Fokus des Projekts der beiden Jungforschenden lag auf der Erarbeitung von effizienten Methoden für das Recycling von Kunststoffen – ein Thema, das in der gegenwärtigen Zeit der Wiederverwendung und -verwertung als besonders wichtig gilt. Das war auch die Motivation für Nick: «In der heutigen Welt gibt es viele Probleme, eins davon ist die Verschmutzung durch Plastikabfällen. Dies hat uns motiviert, mit unserem Projekt einen möglichen Lösungsansatz zu entwickeln.»

Um eine zuverlässige Klassifizierung bzw. Unterteilung von Kunststoffen für das Recycling zu erreichen, haben die beiden Lernenden die «Terahertz Time Domain Spectroscopy» (THz-TDS) genutzt, um makromolekulare Informationen aus unbekannten Polymeren zu gewinnen, was aufgrund der relativ hohen Transparenz von Kunststoffen möglich war. Daraus ergaben sich wichtige Erkenntnisse, wie ein bestimmtes Polymer-Material mit der Terahertz-Strahlung interagiert. Bei Terahertz-Strahlung handelt es sich um nicht ionisierende, elektromagnetische Wellen – mit Wellenlängen, die zwischen dem Mikrowellen- und Infrarotbereich liegen. Die Terahertz-Strahlung wurde für das Forschungsvorhaben verwendet, da die beiden Lernenden diese Technik seit ihrem ersten Lehrjahr immer wieder genutzt haben und sie sich für das Experiment eignete. Mit Hilfe des maschinellen Lernens wurde das Computermodell dann mit Daten aus alltäglichen Kunststoffen trainiert, um diese voneinander unterscheiden und in vier der wichtigsten wiederverwertbaren Kunststoffklassen einordnen zu können.

Dass Forschungsarbeit viel mehr als die vertiefte Auseinandersetzung auf einem Gebiet bedeutet, können Sofie und Nick durch ihre neu gewonnenen Erfahrungen bestätigen. Es braucht auch Ausdauer, Sorgfalt und Unterstützung durch Gleichgesinnte. Eine besondere Herausforderung war etwa das Verfassen der schriftlichen Dokumentation und die ausführliche Literaturrecherche, die dafür benötigt wurde. «Diese Arbeit hat uns gezeigt, wie wir unser erlerntes Wissen mit der praktischen Arbeit vereinigen können», so Sofie. Dabei seien die beiden Lernenden sehr zielstrebig und strukturiert vorgegangen, wie der SJF-Experte Gregory Gäumann in seiner Würdigung betonte. Zudem hätten die beiden Lernende mit ihrem soliden Vorgehen gezeigt, wie Lösungen erfolgreich auf ein bestehendes, gesellschaftliches Problem erarbeitet und umgesetzt werden können.

Der Berufsbildner der beiden Lernenden an der Empa, Dominik Bachmann, war beeindruckt, wie selbständig sich die zwei ins Thema einarbeiteten, sich relevante Literatur beschafften und sich bei Fragen nicht nur an ihren Berufsbildner, sondern auch an Fachexperten innerhalb der Empa wandten. Er sagt: «Ich habe Sofie und Nick als sehr motiviert erlebt und habe gesehen, wie sie sich durch engagierte Teamarbeit gegenseitig zu Höchstleistungen anspornten. Ich denke, das machte sie so erfolgreich.»