Ooit hebben mensen zuurstof als een mensenrecht beschouwd. Maar de pandemie heeft aangetoond dat toegang tot zuurstof – in pure vorm, voor medisch gebruik is een luxe in de meeste lage- en middeninkomenslanden.

Toegang krijgen tot zuivere zuurstof voor medische behandelingen is een ingewikkelde, dure en vaak zeer gevaarlijke onderneming. De huidige situatie in India is een harde herinnering aan deze kwestie. De tweede golf van COVID-19 heeft het land hard getroffen, het totale aantal doden is net de 200 gepasseerd, 000 mark. Zuurstof is schaars.

Vanwege de huidige noodsituatie Indiase burgers hebben zich tot de zwarte markt gewend om zuurstof te kopen die ver boven de normale prijs ligt.

Dit is mede gebeurd door de manier waarop zuurstof wordt geproduceerd, opgeslagen en vervoerd over de hele wereld. Daarom werken wetenschappers zoals ik aan een goedkoper alternatief.

Knelpunten

Zuurstof wordt meestal gewonnen uit vloeibare lucht. Ingenieurs veranderen de lucht die we inademen in een vloeistof, met behulp van een combinatie van processen die gassen afkoelen tot ze condenseren. Zodra ze erin geslaagd zijn om de mix vloeibaar te maken, ze gebruiken distillatie - hetzelfde proces dat wordt gebruikt om whisky en gin te maken - om lucht te scheiden in de verschillende componenten, zuurstof onder hen.

Dit proces vereist enorme hoeveelheden energie en enorme industriële faciliteiten, dus het is beperkt tot slechts een paar gebieden in de wereld, de meeste van hen in het mondiale noorden. Vloeibare zuurstof moet onder grote druk worden opgeslagen en vervoerd, ernstige logistieke problemen en veiligheidsproblemen veroorzaken - zuurstof is echt explosief.

Dit betekent dat het belangrijkste knelpunt van de zuurstofproductie is, precies, flessen. De VS vertrouwt op zware buizen om zuurstof onder druk te transporteren. In Europa, transport vindt voornamelijk plaats via vloeibare zuurstof die in grote tanks wordt vervoerd. Voor lage-inkomenslanden, distributie gebeurt in flessen.

Maar de markt voor zuurstofflessen wordt in het nauw gedreven door slechts een handvol chemische bedrijven. Het gebruik van flessen voegt ook een extra veiligheidsrisico toe, aangezien de juiste behandeling ervan verschillende voorzorgsmaatregelen en een goede opleiding vereist. Ontwikkelingslanden missen dus zowel de infrastructuur om vloeibare zuurstof te produceren als die om het gemakkelijk en goedkoop naar een ziekenhuis te vervoeren.

Uit het niets

Een andere manier om zuurstof te "maken" is het gebruik van concentrators, apparaten die selectief stikstof verwijderen - het gas dat 78% van onze atmosfeer uitmaakt - met behulp van een reeks membranen, poreuze materialen en filters. Deze werden halverwege de jaren 70 geproduceerd, en de technologie is zeer goed ingeburgerd.

Deze apparaten zetten lucht om in een stroom met zuurstof verrijkt gas, typisch boven 95% (de rest bestaat voornamelijk uit argon). Dit is meestal goed genoeg voor ademhalingstoestellen en ventilatoren. Het voordeel van een concentrator is dat deze kan worden geproduceerd als een klein apparaat voor gebruik in ziekenhuizen of verzorgingshuizen. Er bestaan ​​nu in de handel verkrijgbare concentratoren, maar ze zijn duur en moeilijk te produceren in ontwikkelingslanden.

Daarom zoeken wetenschappers zoals ik naar oplossingen. Mijn team bestudeert nieuwe soorten materialen die gassen opslaan en scheiden, waarvan sommige potentieel betaalbare oplossingen bieden voor apparaten zoals zuurstofconcentrators. We ontwikkelen twee hoofdtypen materialen:zeolieten (kristallen van silicium, aluminium en zuurstof) en metaal-organische raamwerken (meestal MOF's genoemd). Beide zijn zeer poreuze materialen; je kunt ze als miniatuur voorstellen, sponzen ter grootte van een molecuul.

als sponzen, deze poreuze materialen adsorberen meer vloeistoffen dan je intuïtief zou vermoeden. Hoewel de miljoenen poriën in zeolieten en MOF's misschien klein lijken, hun totale oppervlakte is monumentaal. In feite, een gram van bepaalde recordbrekende MOF's heeft een oppervlakte van meer dan 7, 000 vierkante meter.

Kleine hoeveelheden zeolieten en MOF's kunnen enorme hoeveelheden vloeistoffen opslaan, vaak gassen, en ze zijn gebruikt in gasopslag, zuivering, koolstofafvang en waterwinning.

Een deel van mijn team, samen te werken met het ingenieursbureau Cambridge Precision, en het Centrum voor mondiale gelijkheid, zijn gaan onderzoeken of ze kunnen worden gebruikt om zuurstof op te slaan. We hebben een eerste prototype ontwikkeld dat werkt. We hopen over twee maanden een definitief prototype te hebben, en daarna moeten we medische goedkeuring vragen.

Het proces

Het principe is vrij eenvoudig. We hebben een aluminium cilinder vol poreuze materialen waar we een luchtstroom doorheen laten circuleren. Dit zuivert de zuurstof tot 95%, terwijl de rest voornamelijk argon is. Stikstof zit vast in de zeoliet vanwege de manier waarop de elektrische lading wordt verdeeld in stikstofatomen, wat betekent dat het sterker interageert met het elektrische veld van de zeoliet. Zuurstof en argon zijn dat niet.

De stikstof blijft daarom gevangen in de miljoenen kleine poriën, en we ledigen ze later nadat we onze zuurstof hebben opgeslagen.

Gebruikelijk, we commercialiseren onze poreuze materialen via Immaterial, een spin-out van de Universiteit van Cambridge. Nog, enorme winsten maken door zuurstof te verkopen tijdens een pandemie leek immoreel. In Afrika, bijvoorbeeld, zuurstof is vijf keer duurder dan in Europa en de VS. Ons team en Immaterial werkten daarom samen met andere wetenschappers in Cambridge om het Oxygen and Ventilator System Initiative te creëren, OVSI, met als doel het bevorderen en produceren van betaalbare zuurstofbehandelingen.

We hopen dat de voordelen van een goedkoop zuurstofconcentratorapparaat de pandemie zullen overleven. Zuurstofvoorziening is essentieel voor de behandeling van longontsteking bij kinderen en chronische longziekten - beide aandoeningen waaraan wereldwijd meer mensen overlijden dan aids of malaria. Iedereen moet toegang hebben tot zuurstof, en technologie zoals de onze zou op een dag kunnen helpen die toegang te bieden.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.