新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の世界的大流行により、中低所得国の大半では、酸素はいまや贅沢品となっている。分子工学者のデイビッド・フェアン＝ヒメネスが寄稿する。
開発途上国には、液体酸素を製造し、それを病院まで容易かつ安価に輸送するためのインフラが欠けている。
フェアン＝ヒメネスは、自身や他の科学者たちが、濃縮装置を使って窒素を取り除くことで酸素を「作る」別の方法にどのように取り組んでいるかを説明する。
かつて人々は酸素を基本的人権と考えていたかもしれない。しかし、パンデミックによって、医療用に純粋な形の酸素を入手することが、中低所得国の大半では贅沢であることが明らかになった。
医療処置のために純粋な酸素を入手することは、複雑で費用がかかり、しばしば非常に危険な仕事である。現在のインドの状況は、この問題を厳しく思い起こさせるものとなっている。新型コロナウイルスの第2波が同国を強く襲い、死者数はちょうど20万人を超えたところだ。酸素は供給が不足しており。
現在の緊急事態のため、インド国民は酸素を入手するために闇市場に頼っている。酸素を購入するために、通常価格をはるかに上回る価格となっている。
これは部分的には、世界中で酸素が製造、貯蔵、輸送される方法に起因している。だからこそ、私のような科学者は、より安価な代替手段を見つけるために取り組んでいる。
ボトルネック
酸素は主に液化空気から得られる。技術者は、ガスが凝縮するまで冷却する一連の工程を組み合わせて、私たちが呼吸する空気を液体に変える。混合物を液化させた後、蒸留を行う。これはウイスキーを造ることやジンを造る際に用いられるのと同じ工程で、空気を酸素を含むさまざまな成分に分離する。
この工程には莫大なエネルギーと大規模な産業施設が必要であるため、世界のごく一部の地域、その大半は北半球の先進地域に限られている。液体酸素は高い圧力下で貯蔵・輸送しなければならず、深刻な物流上の問題や安全上の懸念を生じさせる。酸素は実際に爆発性がある。
つまり、酸素製造の主要なボトルネックは、まさにボンベにある。米国では、加圧された酸素の輸送に重厚な配管に頼っている。欧州では、主に大型タンクで運ばれる液体酸素によって輸送が行われている。低所得国では、ボンベによって配給が行われている。
しかし、酸素ボンベ市場は、わずか数社の化学企業によって独占されている。ボンベを使用することは、さらなる安全上の懸念の層も加わる。取り扱いには複数の予防措置と適切な訓練が必要だからである。そのため、開発途上国には、液体酸素を製造するために必要なインフラも、それを病院まで容易かつ安価に輸送するためのインフラも欠けている。
薄い空気から
酸素を「作る」別の方法は、濃縮装置を使うことである。これは、膜、多孔質材料、フィルターの一連の組み合わせを用いて、大気の78％を占める気体である窒素を選択的に取り除く装置である。これらは1970年代半ば頃から製造され始め、その技術は非常によく確立されている。
これらの装置は、通常95％以上の酸素を含む、酸素が富化された気体の流れに空気を変える（残りは主にアルゴンで構成される）。これは通常、人工呼吸器や換気装置に十分な品質である。濃縮装置の利点は、病院や介護施設で使用できる小型の装置として製造できることである。市販されている濃縮装置は現在すでに存在するが、高価であり、開発途上国では製造が困難である。
そのため、私のような科学者は解決策を探している。私のチームは、気体を貯蔵・分離する新しい種類の材料を研究しており、その中には酸素濃縮装置などの装置にとって、手頃な価格の解決策となり得るものもある。私たちは主に2種類の材料を開発している。ゼオライト（ケイ素、アルミニウム、酸素の結晶）と金属有機構造体（通常MOFと呼ばれる）である。いずれも非常に多孔質の材料であり、分子サイズの超小型のスポンジのようなものと想像していただきたい。
スポンジと同様に、これらの多孔質材料は、直感で想像するよりも多くの流体を吸着する。ゼオライトやMOFの内部にある数百万もの細孔は小さく見えるかもしれないが、その総表面積は莫大である。実際、特定の記録的なMOFは、1グラムあたりの表面積が7,000平方メートルを超えることも特徴である。
ごく少量のゼオライトやMOFでも、多くの流体、多くの場合は気体を貯蔵することができ、ガスの貯蔵、精製、炭素回収および集水などに用いられてきた。
私のチームの一部は、エンジニアリング企業のケンブリッジ・プレシジョンおよびグローバル・エクイティ・センターと提携し、これらの材料を酸素の貯蔵に使えるかどうかの検討を始めている。私たちはすでに機能する初期試作品を開発した。2か月後に最終試作品を完成させることを目指しており、その後は医療機関の承認を得る必要がある。
プロセス
原理は非常に単純である。多孔質材料で満たされたアルミニウム製のシリンダーがあり、そこに空気の流れを循環させる。これにより酸素は95％まで精製され、残りは主にアルゴンとなる。窒素は、窒素原子内の電荷の分布の仕方により、ゼオライトに捕捉される。窒素はゼオライトの電場とより強く相互作用するためである。酸素とアルゴンは相互作用しない。
したがって、窒素は数百万もの微細な細孔の内部に捕捉されたままとなり、酸素を貯蔵した後に、それらを空にする。
世界経済フォーラムは、多様性、公平性、包摂性（DEI）に関して何をしているのか？
新経済社会センターは、経済と技術の変化が雇用、スキル、機会をどのように再構築しているかを理解できるよう、リーダーたちをつないでいる。
共有された知見と協働を通じて、同センターはパートナーが、移行期を通じて人々と社会を支える包摂的な経済モデルを探求することを可能にしている。
通常、当社は多孔質材料をImmaterial（ケンブリッジ大学からのスピンアウト企業）を通じて商業化している。しかし、パンデミックの最中に酸素を販売して巨額の利益を得ることは、道徳に反すると思われた。例えばアフリカでは、酸素は欧州や米国と比べて5倍高価である。そのため、私たちのチームとImmaterialは、ケンブリッジの他の科学者たちと提携し、手頃な価格の酸素治療の推進と製造を目的として、酸素・人工呼吸器システム・イニシアチブ（OVSI）を立ち上げた。
安価な酸素濃縮装置の利点が、パンデミックが終息した後も残ることを期待している。酸素の供給は、小児肺炎および慢性肺疾患の治療において重要であり、これらはいずれも世界的にエイズやマラリアよりも多くの人命を奪っている。誰もが酸素を利用できるべきであり、私たちの技術のようなものが、いつの日かその利用を実現する助けとなる可能性がある。
