L’oxygène médical ne devrait pas être un luxe – nous essayons de développer un moyen moins coûteux de le produire -Ecologie, science


Les gens ont pu autrefois considérer l’oxygène comme un droit de l’homme. Mais la pandémie a révélé que l’accès à l’oxygène – sous forme pure, à usage médical – est un luxe dans la plupart des pays à revenu faible et intermédiaire.

L’accès à l’oxygène pur pour les traitements médicaux est une entreprise compliquée, coûteuse et souvent très dangereuse. Le courant situation en Inde est un rappel sévère de ce problème. La deuxième vague de COVID-19 a durement frappé le pays, le nombre total de décès vient de franchir la barre des 200000. L’oxygène est en quantité limitée.

En raison de l’urgence actuelle, les citoyens indiens se sont tournés vers le marché noir acheter de l’oxygène bien au-dessus de son prix régulier.

Cela est dû en partie à la façon dont l’oxygène est produit, stocké et transporté dans le monde. C’est pourquoi des scientifiques comme moi s’efforcent de trouver une alternative moins chère.

Goulots d’étranglement

L’oxygène est principalement obtenu à partir d’air liquéfié. Les ingénieurs transforment l’air que nous respirons en liquide, en utilisant une combinaison de processus qui refroidissent les gaz jusqu’à ce qu’ils se condensent. Une fois qu’ils ont réussi à liquéfier le mélange, ils utilisent la distillation – le même processus utilisé pour fabriquer le whisky et le gin – pour séparer l’air en ses différents composants, l’oxygène parmi eux.

Ce processus nécessite d’énormes quantités d’énergie et d’énormes installations industrielles, il est donc limité à quelques régions du monde, la plupart dans le nord du pays. L’oxygène liquide doit être stocké et transporté sous une forte pression, ce qui crée de graves problèmes logistiques et des problèmes de sécurité – l’oxygène est vraiment explosif.

Cela signifie que le principal goulot d’étranglement de la production d’oxygène est précisément les bouteilles. Les États-Unis comptent sur des tuyaux robustes pour transporter l’oxygène sous pression. En Europe, le transport se fait principalement par l’oxygène liquide transporté dans de grands réservoirs. Pour les pays à faible revenu, la distribution se fait en bouteilles.

Mais le marché des bouteilles d’oxygène n’est accaparé que par un poignée d’entreprises chimiques. L’utilisation de bouteilles ajoute également une autre couche de problèmes de sécurité, car leur manipulation correcte nécessite plusieurs mesures de précaution et une formation appropriée. Les pays en développement manquent donc à la fois de l’infrastructure nécessaire pour produire de l’oxygène liquide et de celle pour le transporter facilement et à moindre coût vers un hôpital.

Un homme tenant une bouteille d'oxygène, devant un camion plein d'entre eux.
Oxygène médical prêt à être rempli dans l’Uttar Pradesh, en Inde.
ZUMA Press, Inc. / Alamy Banque D’Images

De nulle part

Une autre façon de «fabriquer» de l’oxygène utilise des concentrateurs, des dispositifs qui éliminent sélectivement l’azote – le gaz qui constitue 78% de notre atmosphère – à l’aide d’une série de membranes, de matériaux poreux et de filtres. Ceux-ci ont commencé à être produits au milieu des années 70, et la technologie est très bien établie.

Ces appareils transforment l’air en un flux de gaz enrichi en oxygène, généralement supérieur à 95% (le reste est principalement constitué d’argon). Ceci est généralement suffisant pour les respirateurs et les ventilateurs. L’avantage d’un concentrateur est qu’il peut être produit comme un petit appareil destiné à être utilisé dans les hôpitaux ou les maisons de soins. Concentrateurs disponibles dans le commerce existent maintenant, mais ils sont chers et difficiles à produire dans les pays en développement.

C’est pourquoi des scientifiques comme moi recherchent des solutions. Mon équipe étudie de nouveaux types de matériaux qui stockent et séparent les gaz, dont certains offrent des solutions potentiellement abordables pour des appareils tels que les concentrateurs d’oxygène. Nous développons deux principaux types de matériaux – les zéolithes (cristaux de silicium, d’aluminium et d’oxygène) et les charpentes métalliques-organiques (généralement appelées MOF). Les deux sont des matériaux hautement poreux; vous pouvez les imaginer comme des éponges miniatures de la taille d’une molécule.

Comme les éponges, ces matériaux poreux adsorbent plus de fluides que vous ne l’imaginez intuitivement. Bien que les millions de pores à l’intérieur des zéolithes et des MOF puissent sembler minuscules, leur surface totale est monumentale. En fait, un gramme de certains MOF record a une superficie de plus de 7 000 mètres carrés.

De minuscules quantités de zéolites et de MOF peuvent stocker d’énormes quantités de fluides, souvent des gaz, et elles ont été utilisées dans le stockage de gaz, la purification, captage du carbone et récupération de l’eau.

Une partie de mon équipe, en partenariat avec la société d’ingénierie Précision de Cambridge, et le Centre pour l’égalité mondiale, ont commencé à chercher à savoir s’ils peuvent être utilisés pour stocker de l’oxygène. Nous avons développé un premier prototype qui fonctionne. Nous espérons avoir un prototype final en place dans deux mois, et après cela, nous devrons demander une approbation médicale.



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Le processus

Le principe est assez simple. Nous avons un cylindre en aluminium rempli de matériaux poreux et nous y faisons circuler un courant d’air. Cela purifie l’oxygène jusqu’à 95% – le reste étant principalement de l’argon. L’azote est piégé dans la zéolite en raison de la façon dont la charge électrique est distribuée dans les atomes d’azote, ce qui signifie qu’elle interagit plus fortement avec le champ électrique de la zéolite. L’oxygène et l’argon ne le sont pas.

L’azote reste donc piégé à l’intérieur des millions de minuscules pores, et nous les vidons plus tard après avoir stocké notre oxygène.

Habituellement, nous commercialisons nos matériaux poreux à travers Immatériel, une spin-out de l’Université de Cambridge. Pourtant, réaliser d’énormes profits en vendant de l’oxygène dans une pandémie semblait immoral. En Afrique, par exemple, l’oxygène est cinq fois plus cher qu’en Europe et aux États-Unis. Notre équipe et Immaterial se sont donc associés à d’autres scientifiques de Cambridge pour créer l’initiative Oxygen and Ventilator System, OVSI, dans le but de faire progresser et de fabriquer des traitements à l’oxygène abordables.

Nous espérons que les avantages d’un concentrateur d’oxygène bon marché survivront à la pandémie. L’approvisionnement en oxygène est essentiel pour traiter la pneumonie infantile et les maladies pulmonaires chroniques – les deux conditions qui globalement tuer plus de gens que le sida ou le paludisme. Tout le monde devrait avoir accès à l’oxygène, et une technologie comme la nôtre pourrait un jour aider à fournir cet accès.

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