Kan vi bygge morgendagens gennembrud?

Fremstilling i USA er i problemer. Det er dårlige nyheder, ikke kun for landets økonomi, men for fremtidens innovation. Ved

• David Rotman arkiv side

19. december 2011

I en hangarlignende bygning, hvor General Electric engang samlede dampturbiner, bygges et batteriproduktionsanlæg på 100 millioner dollars for at fremstille produkter ved hjælp af en kemi, der aldrig før er blevet kommercialiseret i så stor skala. De natrium-metalhalogenid-batterier, det vil producere, er blevet testet og optimeret i løbet af de sidste par år af et team af materialeforskere og ingeniører ved GE's vidtstrakte forskningscenter kun få miles væk. Nu er nogle af de samme forskere ansvarlige for at reproducere disse resultater i et produktionsanlæg, der er stort nok til at rumme tre en halv fodboldbane.

Ingeniørerne er flyttet fra det landlige forskningscenter, som ligger på en bakke med udsigt over Mohawk-floden, ned til produktionsstedet, der støder op til floden i udkanten af ​​Schenectady, New York, en arbejderby kendt i sin storhedstid som Electric By. Der overvåger de installation og test af robotter, højtemperaturovne og analyseudstyr, der skal overvåge produktionsprocessen. De nye batterier bruger en avanceret keramik som en elektrolyt inde i en forseglet metalkasse, der indeholder nikkelchlorid og natrium; teknologien lover at lagre tre gange så meget energi som de bly-syre-batterier, der bruges i datacentre, i tunge elektriske køretøjer og til reservestrøm. Men næsten alt kan gå galt. Hvis f.eks. partiklerne, der udgør keramikken, er ujævne i størrelse eller ikke er blevet tørret ordentligt, kan batteriets ydeevne komme til kort. Det betyder, at forholdene på den enorme fabrik skal være stramt kontrolleret, og multiton-enheder skal kunne matche laboratorieudstyrets nøjagtighed. Det er ikke for de svage i hjertet, siger Michael Idelchik, GEs vicepræsident for avancerede teknologier.

Denne historie var en del af vores januar 2012-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

GE-anlægget er et af en række faciliteter rundt om i landet, der producerer nye teknologier til hurtigt voksende markeder inden for avancerede batterier, elektriske køretøjer og solenergi - men disse bestræbelser kan ikke imødegå den virkelighed, at den amerikanske fremstillingssektor er i problemer. Efter årtiers outsourcing af produktion i et forsøg på at sænke omkostningerne, har mange store virksomheder mistet ekspertisen til de komplekse ingeniør- og designopgaver, der er nødvendige for at opskalere og producere nutidens mest innovative nye teknologier, for ikke at nævne appetitten til de involverede risici.

I trin: En central del af GE's batteriproduktionsproces er fremstillingen af ​​keramiske rør, der fungerer som en elektrolyt. De hvide rør bevæger sig ned ad et samlebånd, hvor de vil blive forseglet for at fuldende den keramiske samling, der går ind i battericellen.

Hvis du tror på Thomas Friedmans påstand om, at verden er flad, og at flytning af produktion til steder, hvor produktionen er billig, gør virksomheder mere konkurrencedygtige, betyder et sådant skift måske ikke noget ud over dets implikationer for den amerikanske økonomi og dens arbejdere. Men USA er fortsat verdens mest produktive kilde til nye teknologier, især materialebaserede, og der vokser beviser for, at dets formindskede produktionskapacitet alvorligt kan lamme global innovation. Der er rigelig grund til at tro, at modellen for den amerikanske computerindustri – som med succes har outsourcet meget af sin produktion i de sidste par årtier og gjort design, ikke fremstilling til sin prioritet – ikke vil fungere effektivt for virksomheder, der forsøger at kommercialisere innovationer inden for energi. , avancerede materialer og andre nye sektorer.

Akademiske forskere er begyndt at dokumentere de komplekse forbindelser mellem innovation og fremstilling med henblik på at afklare, hvordan tabet af amerikansk produktion kan påvirke fremkomsten af ​​nye teknologier. Willy Shih, professor i ledelse ved Harvard Business School, har lavet en liste over grundlæggende teknologier, hvor USA har spildt sit forspring inden for fremstilling i de seneste år. De omfatter krystallinske siliciumskiver, LCD'er, strømhalvledere til solceller og mange typer avancerede batterier. Og han har detaljeret beskrevet, hvordan det at miste de industrielle fællesområder – forsknings-knowhow, ingeniørfærdigheder og produktionsekspertise, der er nødvendige for at lave en specifik teknologi – ofte kan betyde at miste viden og incitamenter til at skabe fremskridt inden for relaterede teknologier. For eksempel, da siliciumhalvlederproduktion og tilhørende forsyningskæder er flyttet til Asien, er udviklingen af ​​nye siliciumbaserede solceller blevet hæmmet i USA.

Det viser sig, at det ikke nødvendigvis er sandt, at innovative teknologier blot vil blive fremstillet andre steder, hvis det ikke sker i USA. Ifølge forskning udført af Erica Fuchs, en assisterende professor ved Carnegie Mellon University, er udviklingen af ​​integreret fotonik, hvor lasere og modulatorer klemmes på en enkelt chip, stort set blevet opgivet af optoelektroniske producenter, da de har flyttet produktionen væk fra USA . Mange teleselskaber blev tvunget til at søge billigere produktion i Østasien efter industriens sammenbrud i begyndelsen af ​​2000'erne, og forskelle i fremstillingspraksis betød, at det ikke var økonomisk rentabelt at producere integrerede fotoniske chips i disse lande. Således blev en teknologi, der engang så ud til at være blot et par år væk fra at revolutionere computere og endda biosensorer, forladt. Økonomer vil måske hævde, at vi er ligeglade med, hvor noget er produceret, siger Fuchs, men placeringen kan i høj grad påvirke de produkter, du vælger at lave, og selve teknologibanen.

For mange mennesker i industrien er forbindelserne mellem innovation og produktion givet - og en grund til bekymring. Vi har erfaret, at uden fodfæste inden for fremstilling, er evnen til at innovere betydeligt kompromitteret, siger GEs Idelchik. Problemet med outsourcing af produktion er ikke kun, at du i sidste ende mister din ingeniørekspertise, men at virksomheder bliver afhængige af andres innovation til næste generations produkter. En konsekvens, siger han, er, at forskere og ingeniører mister deres forståelse af fremstillingsprocessen, og hvad den kan: Du kan designe alt, hvad du vil, men hvis ingen kan fremstille det, hvem bekymrer sig så?

USA er fortsat verdens mest produktive kilde til nye teknologier, især materialebaserede, og der vokser beviser for, at dets formindskede produktionsevner alvorligt kan lamme global innovation.

Efter årtier som verdens største producent, fremstiller USA nu ifølge nogle nylige skøn 19,4 procent af verdens fremstillede varer – næst efter Kina, hvilket udgør 19,8 procent. Selv i højteknologiske produkter importerer USA nu mere, end det producerer. Disse statistikker har konsekvenser for beskæftigelsen, national konkurrenceevne og endda landets politik og sociale struktur. Men lige så bekymrende, især på lang sigt, er, hvad USAs faldende evne til at lave ting indebærer for den næste generation af teknologi. Kan USA genvinde sin evne til at påtage sig højrisikoproduktion? For at stille det samme spørgsmål på en anden måde, er mange af nutidens mest lovende innovationer i fare for at lide samme skæbne som integrerede fotoniske chips? Kan USA genvinde sin evne til at påtage sig højrisikoproduktion? For at stille det samme spørgsmål på en anden måde, er mange af nutidens mest lovende innovationer i fare for at lide samme skæbne som integrerede fotoniske chips?

Electric Motor City

Byen Detroit, som i årtier har været centrum for amerikansk bilproduktion, kan godt lide at udråbe sin indsats for byfornyelse. Et moderne baseballstadion ligger i udkanten af ​​centrum; et travlt teaterdistrikt er i nærheden. Alligevel er tomme og rensede skyskrabere inden for gåafstand fra de skinnende glastårne ​​i General Motors hovedkvarter og de nye ejerlejligheder, der rejser sig over byens flodbred. Og i udkanten af ​​byen, i områder opdelt af motorveje med navne som Chrysler Freeway og Edsel Ford Freeway, er ødelæggelserne endnu mere tydelige i de tilsyneladende endeløse strækninger af forladte industribygninger. Omkring 22 procent af jobs i Michigan er stadig knyttet til bilproduktion, og et årti med konkurser og styrtdykkede salg blandt Detroit-bilproducenter har fået regionen til at vælte. Næsten en halv million job er gået tabt i det sydøstlige Michigan siden 2000.

Midt i ruinerne er GM Detroit Hamtramck samlefabrikken imidlertid en oase af orden og aktivitet. Selvom parkeringspladsen er mindre end halvfuld på en dag i det tidlige efterår, er den massive fabrik bygget i midten af ​​1980'erne for at fremstille Cadillacs og Buicks, Detroits forsøg på at genopfinde sig selv. Et felt af solpaneler er blevet installeret foran det; i udkanten af ​​besøgendes parkeringsplads er en række carporte udstyret med stikkontakter.

Inde på fabrikken er Cadillacs og Buicks blevet erstattet på samlebåndet af Chevrolet Volt, GM's nyligt introducerede elbil, og dens europæiske pendant, Opel Ampera. De elektriske køretøjer fylder stort set hver anden ledig plads på produktionslinjen, men GM håber at øge produktionen til 60.000 elbiler til næste år. Som enhver moderne bilfabrik er Hamtramck-anlægget i Detroit en hvirvel af robotter og store dele, der bevæger sig bevidst langs samlebånd, der smelter sammen på kritiske punkter; ved et af disse kryds falder den malede stålramme langsomt ned på chassiset og motoren. Automatiske pneumatiske skruenøgler punkterer den relative støjsvaghed, da de anvender præcist moment for at bolte stykkerne sammen.

Tæt på midten af ​​al aktivitet, siddende for sig selv, er de T-formede lithium-ion-batterier, der er hjertet i den nye bil og en kilde til økonomisk håb for store dele af Michigan. Batteripakken på 435 pund er en enorm forbedring i forhold til de enorme bly-syre-batterier på 1.100 pund, der blev brugt i den skæbnesvangre første generation af elbiler, som GM lavede i 1990'erne. De mindre, lettere nye batterier er langt lettere at rumme i en kompakt bil som Volt, og den nye kemi forbedrer køretøjets ydeevne.

Hver batteripakke indeholder omkring 288 celler, som hver indeholder en række præcist afstemte tynde plader af anoder og katoder. Hvis GM laver 60.000 volt næste år, ville disse biler let forbruge produktionen fra flere enorme batterifabrikker. Men hvis elbilmarkedet pludselig tager fart - for eksempel på grund af billigere eller mere effektive batterier - kan behovet være langt større. Det er blevet anslået, at hvis elbiler tegnede sig for en tiendedel af det amerikanske bilsalg, ville 43 store batterifabrikker være nødvendige for at forsyne bilproducenterne.

Den potentielle appetit på batterier blandt GM og andre bilproducenter har ført til opførelsen af ​​mindst et halvt dusin produktions- og samlefabrikker i en radius på 200 miles omkring Detroit. Delvist ansporet af Obama-administrationens 2,4 milliarder dollars i finansiering til avanceret batteriproduktion og elektriske køretøjer, præsenterer denne udvikling en vision om, hvordan et opsving i regionens produktionsbase kan se ud. Det præsenterer også et øjebliksbillede af den enorme udfordring, der er forbundet med at skabe sådan en infrastruktur.

Omkring 125 miles nord for Detroit Hamtramck samlefabrikken er en af ​​de største af de nye batterifaciliteter. Dow Kokam, et joint venture mellem Dow Chemical, TK Advanced Battery og det franske firma Groupe Industriel Marcel Dassault, bygger en fabrik til 322 millioner dollars i Midland, Michigan, som vil være i stand til at lave nok lithium-ion battericeller til omkring 30.000 elektriske biler. Selvom byggeriet er i gang, og meget af udstyret stadig er ved at blive installeret, giver en hurtig rundtur en fornemmelse af operationens størrelse og kompleksitet. I et stort højloftet rum er et stort antal automatiserede stativer, hvor hver battericelle vil blive dannet, en kritisk operation, hvor batteriet oplades og aflades for præcist at indstille kemien.

Det er denne form for skala og opmærksomhed på detaljer, der tiltrækker interessen hos virksomheder som Dow, verdens næststørste kemikalieproducent. Anlægget ligger lige uden for grænserne af Dow's Michigan kemiske operationer, en lille by med lave produktionsbygninger forbundet af en labyrint af krydsende overliggende rør. Det er et vidtstrakt vidnesbyrd om forbindelserne mellem forskellige ingredienser og råvarer, der bruges til fremstilling af industrielle produkter, og om de stordriftsfordele, der ofte kræves i fremstillingen.

Forsyningskæden til fremstilling af lithium-ion batterier starter dybt inde i det kemiske kompleks. Et sted nede i en af ​​gaderne, der løber gennem anlægget, ligger en ubestemmelig bygning, hvor arbejdere engang lavede kemikalier, der blev brugt i plastik. Nu gør Dow det til et produktionsanlæg for katode- og anodematerialerne, der er nødvendige i lithium-ion-batterier. Enhver, der kommer ind, skal iføre sig en hvid frakke, pakke sko ind i papirbeklædning og underkaste sig en luftsprøjtebruser designet til at fjerne omstrejfende støv og partikler. Indvendigt behandles pulveret til katoderne og anoderne i store beholdere designet til at minimere forurening. Materialerne vil blive sendt til et af de batterianlæg, der bygges; Selvom det nærliggende Dow Kokam-anlæg ikke er forpligtet til at købe anoder og katoder fra sit moderselskab, ville det passe naturligt.

Skru op for varmen: Den viste kalcinator er kritisk ved fremstilling af pulvere til keramikken.

Ligesom GEs Idelchik anerkender Dows teknologichef, William Banholzer, risikoen ved at opskalere nye teknologier. Men han siger, at Dows størrelse og dybe lommer gør det muligt for den at tage risici, der ville være svære for små startups, og dens omfattende infrastruktur gør det muligt for den effektivt at integrere de forskellige aspekter af fremstillingsprocessen. Dows størrelse gjorde det også muligt for den at afdække sine indsatser på batterier ved at gå ind på andre nye energimarkeder. På den modsatte side af det enorme produktionskompleks fra Dow Kokam-fabrikken bygger det et solcelleanlæg, som skal lave tagshingles, der inkorporerer tyndfilm solcelleanlæg. Skalaen af ​​energi er så stor, at det er meget svært at sige, at energi vil blive løst af små virksomheder, siger Banholzer. Det er først, når du rent faktisk er begyndt at fremstille, at du får et kig på dine sande omkostninger og vorter, siger han. I energivirksomheder, hvor et demonstrationsanlæg kan koste 500 millioner dollars, bryder venturekapitalmodellen sammen, tilføjer han. Det store spørgsmål er: kan små virksomheder nogensinde konkurrere med store virksomheder på dette område?

OVERLEVELSESINSTINKTER

Det er et spørgsmål, der kommer til en af ​​de vigtigste udfordringer, der er forbundet med at genoplive fremstillingssektoren. Banholzer har helt sikkert ret i, at startups ikke kan konkurrere med produktionskapaciteten hos en Dow eller GE. Men det er også rigtigt, at små virksomheder arbejder på nogle af vores mest lovende teknologier, især i krydsfeltet mellem nye materialer og energi. Hvis disse teknologier kan produceres økonomisk, kan de i høj grad udvide eksisterende markeder. Udfordringen for startups er derfor at finde ud af en måde at lave deres teknologier på ved hjælp af nuværende produktions-knowhow og samtidig udvikle produkter, der er radikale nok til at forstyrre etablerede teknologier.

Ann Marie Sastry mener klart, at hendes startup kan gøre netop det. Sakti3 har til huse i en lille industripark i Ann Arbor, Michigan, og arbejder på en næste generations teknologi til solid-state batterier (se TR10 , maj/juni 2011) . Fabrikationsområdet bagerst i kontorerne er strengt forbudt for besøgende, ligesom kameraer og spørgsmål under en hurtig rundtur i test- og designområderne; Administrerende direktør Sastry vil afsløre få detaljer om teknologien bortset fra at sige, at batteriet ikke har nogen flydende elektrolytter, og at virksomheden bruger produktionsudstyr, der engang blev brugt til at fremstille kartoffelchipsposer. Men hun er mere klar til at forklare, hvordan opstarten kan trives i den stærkt konkurrenceprægede sektor for avancerede batterier.

Strategien begynder med erkendelsen af, at enhver ny teknologi skal love fordele langt ud over, hvad der er muligt med eksisterende produkter. Hvis du starter med den nuværende [lithium-ion]-teknologi, siger hun, kan du få fem eller 10 eller 20 point's ydeevne ved at justere den proces, men du er nødt til at acceptere, at du aldrig får noget transformativt. Men en fordobling af batteriernes energitæthed kan have en enorm indflydelse på at drive kommunikationsenheder, siger hun, især i områder med ringe adgang til elektricitet til hyppig opladning. Transporten kan blive påvirket endnu mere. Nye batterier med større energitæthed og væsentligt lavere omkostninger kan hæve efterspørgslen efter elbiler til et helt nyt niveau, siger hun.

Så hun og hendes kolleger startede med det periodiske system for at opfinde et nyt batteri. Fra først af vidste virksomheden, at teknologien skulle skaleres. Vi tog ikke et rent ark papir med til fremstillingen, siger hun. Vi startede med en analyse af fremstillingsmetoder, der havde været og kunne skaleres.

At se på det periodiske system for materialer, der kan vælte den nuværende teknologi, er en hyppig strategi i disse dage for tidlige energistartups. Gerbrand Ceder, en materialeforsker ved MIT, indledte et materialegenomprojekt for flere år siden, der bruger computere til at analysere og forudsige materialers egenskaber på tværs af det kendte kemiske univers og håber at skabe en åben database med informationen. (Efter at Det Hvide Hus annoncerede sit Materials Genome Initiative, indvilligede han i at omdøbe sin indsats til Materials Project for at undgå enhver forvirring.) Et hovedmål er mere effektivt at identificere materialer, der er egnede til fremstilling.

Ceder har systematisk analyseret forskellige forbindelser for deres potentiale som batterimaterialer. Ved hjælp af beregningsværktøjerne udviklet af hans materialegenomprojekt har Pellion, en startup i Cambridge, Massachusetts, som han var med til at stifte i 2009, identificeret nye katoder til et magnesiumbaseret batteri. Hvis det virker, siger Ceder, kan batterierne have dobbelt eller tredobbelt energitæthed af nutidens lithium-ion-batterier. Lige så vigtigt, siger han, kunne de indgå i den eksisterende produktion af lithium-ion-batterier. Og det er kritisk, siger han, for hvis man skal opfinde et nyt materiale, der kan erstatte det eksisterende, tager det måske fem til 10 år, men hvis man også skal opfinde et nyt design, kan det tage 10 til 20 år.

Andre lovende energistartups i tidlige stadier er baseret på bestræbelser på at omgå velkendte produktionsbegrænsninger. For eksempel er Alta Devices, et firma i Santa Clara, Californien, hvis grundlæggere omfatter førende forskere fra Caltech og University of California, Berkeley, ved at udvikle en måde at fremstille solcelleceller ved hjælp af film af galliumarsenid, der kun er en mikrometer tyk. Galliumarsenid, som er meget udbredt som ingrediens i lasere og andre fotoniske enheder, har store optiske egenskaber, men er for dyrt for de fleste solceller. Den nye teknologi bruger dog så lidt af materialet, at prisen ikke længere er uoverkommelig. Alta Devices har brugt de sidste mange år på at perfektionere produktionsprocessen; det har påbegyndt en pilotlinje til at fremstille solcellematerialerne næste år og håber at starte kommerciel produktion i 2013.

Efterhånden som risiciene og omkostningerne ved at opskalere energiteknologier bliver mere og mere tydelige, bliver det almindeligt, at startups overvejer de praktiske forhold ved fremstilling, når de udtænker deres innovationer. Men hvordan håber en lille virksomhed, selv med et radikalt andet materiale, at få succes på stærkt konkurrenceprægede sol- og batterimarkeder, der kræver enorme kapitalinvesteringer? Partnerskab med en stor virksomhed er en oplagt strategi. Alta Devices arbejder for eksempel sammen med Dow om næste generations materialer til kemivirksomhedens solar helvedesild; GM er investor i Sakti3. Alligevel står energistartuperne over for den skræmmende sandhed, at opskalering af innovationer til succesfulde produktionsoperationer kan tage hundredvis af millioner af dollars.

Der er dog mindst et nyligt eksempel på succes.

Kraftsugende: GE's batterifabrik dækker et rum på størrelse med tre en halv fodboldbane og omfatter så energikrævende udstyr som store ovne. Det elektriske udstyr til højre forsyner den enorme fabrik med strøm.

INDLÆRINGSKURVE

Da Yet-Ming Chiang var med til at stifte A123 Systems i 2001 på grundlag af hans MIT-forskning i batterimaterialer, var der ingen avanceret batteriproduktion i USA. Selvom meget af det videnskabelige arbejde, der førte til opfindelsen af ​​lithium-ion-batterier, var blevet udført i dette land, inklusive fremskridt opnået ved University of Texas, var det Sony, der kommercialiserede batterierne i 1991. Efterfølgende lavede producenter i Korea og Kina betydelige investeringer i teknologien. Med fire gange så stor energikapacitet som nikkel-cadmium-batterier og dobbelt så meget som nyere nikkel-metalhydrid-batterier, blev lithium-ion-batterier den dominerende teknologi i forbrugerenheder, hvilket gør nutidens små, kraftfulde mobiltelefoner og bærbare computere mulige.

I mellemtiden forsøgte de to store amerikanske batteriproducenter, Duracell og Eveready (nu kaldet Energizer), at udvikle deres egne lithium-ion-produkter i løbet af 1990'erne. Eveready nåede så langt som at bygge en fabrik i Gainesville, Florida, men selv da fabrikken forberedte sig til kommerciel produktion, faldt prisen på lithium-ion-batterier, og virksomheden besluttede, at det var billigere at købe celler fra japanske producenter end at lave sine egne. Det forlod lithium-ion batteribranchen, og Duracell fulgte snart efter.

Så Chiang og hans kolleger på A123 byggede en produktionsfabrik i Changzhou, Kina (se An Electrifying Startup, maj/juni 2008) . Flytningen var ikke beregnet til at outsource produktion, siger Chiang, men for at erhverve den nødvendige produktions-knowhow. Efterfølgende købte A123 en sydkoreansk producent som en måde at begynde at udvikle den ekspertise, den havde brug for til at lave de flade celler, der kræves til elbilbatterier. Da A123 besluttede, at det skulle være tættere på sine potentielle bilkunder i Detroit, klonede det den koreanske fabrik i Livonia, Michigan, og den kinesiske fabrik et par miles væk i Romulus, hjulpet af et tilskud på 249 millioner dollars fra den føderale regering. Som et resultat af denne strategi var A123 i stand til at blive en stor producent på bemærkelsesværdigt kort tid og byggede Livonia-fabrikken på lidt over et år og Romulus-fabrikken på ni måneder.

Virksomheden blev hurtigt en af ​​landets højest profilerede energistartups - og en af ​​de få, der har opskaleret deres teknologi, og byggede, hvad den hævdede i 2010, var den største lithium-ion bilbatterifabrik i Nordamerika. I 2009 blev det offentligt og rejste omkring 400 millioner dollars. Men desværre for dem, der håber på at efterligne en sådan succes, er de politiske og økonomiske omstændigheder, der gjorde det muligt for A123 at skaffe næsten 1 milliard dollars i private og offentlige investeringer, for længst forbi.

En af lektionerne fra A123 er præcis, hvor meget det kostede at blive en succes, siger Chiang. Og man spekulerer på, hvor ofte det kan gentages. I det nuværende klima spørger man sig selv, om der er vilje til at gøre dette igen og igen. I den bioteknologiske industri er vejen til kommercialisering blevet tydelig gennem årene - partnerskab med store medicinalvirksomheder, opfyldelse af forventede milepæle og gennemgået den regulatoriske godkendelsesproces, der kræves for nye produkter. Men det er ikke så enkelt for energistartups, siger Chiang, hvis seneste startup, 24M, håber at udvikle en radikalt ny batteriteknologi. De små virksomheder, der udvikler nye energiteknologier, siger han, skal stadig finde ud af det.

HOLDSPORT

I disse dage står Evergreen Solars tre år gamle produktionsanlæg i Marlborough, Massachusetts, tom med et stort For Lease-skilt foran. Evergreens konkurs i august, og Solyndra en måned senere, førte til megen håndvridning over fremtiden for solenergi. Især har sammenbruddet af Solyndra, en Silicon Valley-baseret producent, der havde modtaget en lånegaranti på $535 millioner fra den føderale regering, ført til kritik af den rolle, regeringen har spillet i støtten til vedvarende energi og især dens dårlige resultater. i at udvælge vindere.

Regeringen har en erfaring med at støtte nogle berygtede energisvigt. Og det er selvfølgelig risikabelt at opskalere nye teknologier. Men sådan kritik har overskygget de nok mere interessante erfaringer, der kan drages af konkurserne: På mange måder var virksomhedernes fiaskoer med både strategi og udførelse produktionsfejl. Deres forretningsmodeller var afhængige af at bruge radikalt nye teknologier til at nedbringe omkostningerne ved fremstilling af solpaneler, idet de ignorerede sandheden om, at nye teknologier i starten næsten aldrig er billigere end veloptimerede eksisterende processer. Og ingen af ​​selskaberne havde produkter, der var innovative nok til at få de fleste kunder til at betale en højere pris. Evergreen og Solyndra stod over for mange uventede markedsændringer - blandt andet et pludseligt fald i siliciumpriserne og overproduktionen af ​​solpaneler - men konkurrerende virksomheders evne til at fortsætte med at sænke deres produktionsomkostninger for mere konventionelle solpaneler burde ikke have været en overraskelse (se Den kinesiske solmaskine).

Der er andre fremstillingslektioner at lære af disse to virksomheders sammenbrud. Evergreens innovation drejede sig om et enkelt trin i produktionsprocessen - en måde at lave siliciumwafere billigere på. Alligevel fremstillede og solgte virksomheden komplette solpaneler - og de var en anden størrelse end industristandarden, hvilket tvang sine kunder ind i den uønskede position, at de på længere sigt forpligter sig til en specifik teknologi.

Ligeledes er Solyndra (en af BØRN 50 mest innovative virksomheder i 2010) lavede en række produktionsfejl. I en ansøgning til offentlige tilsynsmyndigheder i december 2009 erkendte virksomheden, at vores specialbyggede udstyr kan tage længere tid og koste mere at konstruere og bygge end forventet og måske aldrig fungerer som det kræves for at opfylde vores produktionsplaner. Sådanne advarende ord er ofte kendetegnende i disse ansøgninger, men i dette tilfælde var de forudseende. Især forsøgte Solyndra at opbygge sin produktionskapacitet i et hurtigt tempo og planlagde et andet produktionsanlæg, selvom det stadig var ved at udvide det første - og tabte enorme mængder penge på grund af dets relativt høje omkostninger. Set i bakspejlet er det indlysende, at begge virksomheder udvidede produktionen alt for hurtigt, med alt for lidt forståelse for deres unikke produktionsprocesser, deres konkurrence eller deres kunders krav.

En måde at undgå sådanne fejl på er at øge samarbejdet mellem virksomheder, der udvikler nye teknologier. Udkanten af ​​Albany vil aldrig blive forvekslet med Silicon Valley, men navnene på virksomhederne på College of Nanoscale Science and Engineering der er kendte for alle i halvlederindustrien: Intel, IBM, TSMC, Applied Materials og Tokyo Electron. Tanken er, at de fælles faciliteter giver mulighed for chipmagere, udstyrsleverandører og ingeniørvirksomheder til at udvikle og evaluere deres produkter. Sidste år flyttede Sematech, det amerikanske konsortium af halvledervirksomheder, sine aktiviteter til komplekset på 12 milliarder dollars. Dets nyeste initiativ: at hjælpe med at genoplive den amerikanske solcelleindustri på samme måde, som det hjalp halvlederindustrien med at genvinde sit fodfæste i 1980'erne og 1990'erne.

En af lærdommene fra Solyndra-fejlen er, at det involverede væddemål på en meget risikabel teknologi og bruge hundredvis af millioner på uafprøvede produktionsprocesser, siger Pradeep Haldar, der leder det nye Photovoltaic Manufacturing Consortium i Albany, et partnerskab mellem Sematech og CNSE. I modsætning hertil, siger han, kan producenter af tyndfilmssolceller bruge den eksisterende infrastruktur på Albany-anlægget til at få et realitetstjek, herunder reaktioner fra materialeleverandører og potentielle kunder.

Denne samarbejdstilgang er attraktiv selv for store producenter som GE. Innovation er en holdsport, siger Idelchik, men alt for ofte i USA forsøger vi at gøre det i et vakuum. Muligheder som dem, der tilbydes på Albany nanoteknologicenter, er særligt vigtige, mener han, fordi producenterne er i en overgangsperiode. Den verdensomspændende recession, der begyndte i 2008, efterlod virksomheder med enorme mængder af overkapacitet, men omkostningerne til materialer og arbejdskraft er fortsat med at stige sammen med levestandarden i lande som Kina og Indien. Det betyder, at det ikke længere er effektivt at forsøge at presse omkostningerne ud af produktionen ved for eksempel at jagte billigere arbejdskraft. For at forblive konkurrencedygtige, siger Idelchik, er virksomheder nødt til at gå over til højrisikofremstilling med høj aflønning af avancerede produkter og materialer. Han tilføjer dog, at en sådan højrisikofremstilling kræver et økosystem af leverandører, udstyrsproducenter og kunder.

Det økosystem er i bund og grund, hvad Harvards Willy Shih kalder de industrielle fællesområder. Uanset hvordan det beskrives, er det, hvad USA har mistet i LCD'er og integreret fotonik, næsten har tabt i avancerede batterier og hurtigt taber i siliciumsolpaneler. Det er, hvad A123 og Dow forsøger at hjælpe med at genopbygge til avancerede batterier i Michigan, hvad Sematech håber at igangsætte for tyndfilmssolpaneler, og hvad startups som Pellion, 24M og Alta Devices alle håber, de kan udnytte - og så til sidst forstyrre .

Hvorvidt sådanne startups overlever, afhænger ironisk nok meget af, om de markeder, de i sidste ende håber at erstatte, er robuste og voksende. Alligevel er de industrielle fællesområder skrøbelige, og deres overlevelse vil afhænge af både markeder og regeringspolitikker. Fødslen af ​​avanceret batteriproduktion i Michigan er i høj grad et resultat af støtte fra Obama-administrationen. Om det trives vil afhænge af, hvor mange elbiler GM og andre er i stand til at sælge, og om regeringen fortsætter med at give incitamenter til den spæde industri, herunder finansiering til forskning. På længere sigt kan dets helbred meget vel afhænge af, hvor godt det er i stand til at adoptere virkelig innovative nye teknologier fra de tidlige startups. Konsekvenserne vil kunne mærkes dybt. Som Shih har demonstreret, har USA mistet vigtige fremstillingssektorer og relaterede innovationsevner flere gange. Og hans liste over nutidens udsatte teknologier er lang. Hvis avancerede batterier, solcelleteknologier og fremstilling af avancerede materialer bliver endnu flere ofre, vil det helt sikkert skade evnen til at opfinde fremtidige teknologier.

I disse dage tilbringer Yet-Ming Chiang i det mindste en del af sin hektiske tidsplan blandt de trange aflukker på 24M, en fem-minutters cykeltur fra hans MIT-laboratorier. For omkring tre år siden, mens han arbejdede på A123 på et sabbatår fra MIT, begyndte Chiang at tænke på, hvordan den næste generation af batteriteknologi kunne se ud. En stor del af omkostningerne ved fremstilling af lithium-ion-batterier skyldes forskellige ikke-aktive komponenter og flertrinsprocessen med at lægge elektroder og katoder i lag. De faktiske energilagrende dele - elektroderne og elektrolytten - står for omkring en femtedel af de samlede omkostninger. Hvad hvis, undrede han sig over, at man kunne designe et batteri, der slap af med de ikke-energilagrende ingredienser og den dyre celle- og modulsamling? Resultatet er flowbatteriet, som 24M er ved at udvikle, hvori elektroderne cirkulerer i halvfast form. En potentiel fordel ved dette design er, at fremstillingen af ​​det kan være meget mindre kapitalkrævende. Hvad mere er, siger Chiang, er det designet til at arbejde med den eksisterende forsyningskæde og produktionsinfrastruktur for lithium-ion-batterier.

Chiang siger, at hans erfaring med A123 var afgørende for at komme op med det nye batteridesign. Den bedste måde at lave batteriforskning på er at have startet et batterifirma, siger han. Når du er tæt på produktionen, erkender du, hvad der kan have en indflydelse. Det er argumentet for, hvorfor fremstilling er så vigtig i disse udviklingsområder.

David Rotman er Teknologigennemgang 's redaktør.

skjule