Människor kan en gång ha ansett syre som en mänsklig rättighet. Men pandemin har avslöjat att tillgång till syre - i ren form, för medicinskt bruk-är en lyx i de flesta låg- och medelinkomstländer.

Att få tillgång till rent syre för medicinska behandlingar är komplicerat, dyrt och ofta mycket farligt företag. Den nuvarande situationen i Indien är en hård påminnelse om denna fråga. Den andra vågen av COVID-19 har drabbat landet hårt, det totala antalet dödsfall har just passerat de 200, 000 mark. Syre är en bristvara.

På grund av den aktuella nödsituationen, Indiska medborgare har vänt sig till den svarta marknaden för att köpa syre långt över sitt vanliga pris.

Detta har hänt delvis på grund av hur syre produceras, lagras och transporteras runt om i världen. Det är därför forskare som jag arbetar med att hitta ett billigare alternativ.

Flaskhalsar

Syre erhålls mestadels från flytande luft. Ingenjörer förvandlar luften vi andas till en vätska, genom att använda en kombination av processer som kyler ner gaser tills de kondenseras. När de har lyckats smälta blandningen, de använder destillation - samma process som används för att göra whisky och gin - för att separera luft i dess olika komponenter, syre bland dem.

Denna process kräver enorma mängder energi och enorma industriella anläggningar, så det är begränsat till bara några få områden i världen, de flesta av dem i den globala norr. Flytande syre måste lagras och transporteras under stort tryck, skapa allvarliga logistiska frågor och säkerhetsproblem - syre är verkligen explosivt.

Detta innebär att den huvudsakliga flaskhalsen för syreproduktion är, exakt, flaskor. USA förlitar sig på kraftiga rör för att transportera syre under tryck. I Europa, transport sker främst genom flytande syre som transporteras i stora tankar. För länder med lägre inkomst, distribution sker i flaskor.

Men marknaden för syrgasflaskor hörs av endast en handfull kemiföretag. Att använda flaskor lägger också till ytterligare ett lager av säkerhetsproblem, eftersom hantering av dem kräver flera försiktighetsåtgärder och korrekt utbildning. Utvecklingsländerna saknar därför både den infrastruktur som krävs för att producera flytande syre och den för att enkelt och billigt transportera det till ett sjukhus.

Ur tomma luften

Ett annat sätt att "göra" syre är att använda koncentratorer, enheter som selektivt tar bort kväve - gasen som utgör 78% av vår atmosfär - med hjälp av en serie membran, porösa material och filter. Dessa började tillverkas i mitten av 70-talet, och tekniken är mycket väletablerad.

Dessa enheter gör luft till en ström av syreberikad gas, vanligtvis över 95% (resten består av mestadels argon). Detta är vanligtvis tillräckligt bra för respiratorer och respiratorer. Fördelen med en koncentrator är att den kan produceras som en liten enhet som kan användas på sjukhus eller vårdhem. Kommersiellt tillgängliga koncentratorer finns nu, men de är dyra och svåra att producera i utvecklingsländer.

Det är därför forskare som jag letar efter lösningar. Mitt team studerar nya typer av material som lagrar och separerar gaser, varav några erbjuder potentiellt prisvärda lösningar för enheter som syrekoncentratorer. Vi utvecklar två huvudtyper av material - zeoliter (kristaller av kisel, aluminium och syre) och metallorganiska ramverk (vanligtvis kallade MOF). Båda är mycket porösa material; du kan föreställa dig dem som miniatyr, svampar i molekylstorlek.

Som svampar, dessa porösa material absorberar mer vätska än du intuitivt kan föreställa dig. Även om miljontals porer inuti zeoliter och MOF kan verka små, deras totala ytarea är monumental. Faktiskt, ett gram av vissa rekordstora MOF:er har en yta på över 7, 000 kvadratmeter.

Små mängder zeoliter och MOF kan lagra stora mängder vätskor, ofta gaser, och de har använts för gaslagring, rening, kolavskiljning och skörd av vatten.

Några av mitt team, samarbetar med ingenjörsföretaget Cambridge Precision, och Center for Global Equality, har börjat undersöka om de kan användas för att lagra syre. Vi har utvecklat en första prototyp som fungerar. Vi hoppas få en sista prototyp på plats om två månader, och efter detta måste vi söka medicinskt godkännande.

Processen

Principen är ganska enkel. Vi har en aluminiumcylinder full av porösa material och vi cirkulerar en luftström genom den. Detta renar syret upp till 95% - med resterande mestadels argon. Kväve fångas i zeoliten på grund av hur den elektriska laddningen fördelas i kväveatomer, vilket betyder att den interagerar starkare med zeolitens elektriska fält. Syre och argon är inte det.

Kvävet stannar därför kvar i de miljontals små porerna, och vi tömmer dem senare efter lagring av vårt syre.

Vanligtvis, vi kommersialiserar våra porösa material genom Immaterial, en spin-out från University of Cambridge. Än, att tjäna stora vinster på att sälja syre i en pandemi verkade omoraliskt. I Afrika, till exempel, syre är fem gånger dyrare än i Europa och USA. Vårt team och Immaterial samarbetade därför med andra forskare i Cambridge för att skapa Oxygen and Ventilator System Initiative, OVSI, i syfte att främja och tillverka prisvärda syrebehandlingar.

Vi hoppas att fördelarna med en billig syrekoncentrator kommer att överleva pandemin. Syreförsörjning är nyckeln till att behandla lunginflammation hos barn och kroniska lungsjukdomar - båda tillstånd som globalt dödar fler människor än aids eller malaria. Alla ska ha tillgång till syre, och teknik som vår kan en dag hjälpa till med den åtkomsten.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.