Kan vi bygga morgondagens genombrott?

Tillverkningen i USA är i trubbel. Det är dåliga nyheter inte bara för landets ekonomi utan för innovationens framtid. Förbi

• David Rotman arkivsida

19 december 2011

I en hangarliknande byggnad där General Electric en gång monterade ångturbiner, byggs en batteritillverkningsanläggning för 100 miljoner dollar för att göra produkter med en kemi som aldrig tidigare har kommersialiserats i så stor skala. Natrium-metallhalogenidbatterierna som den kommer att producera har testats och optimerats under de senaste åren av ett team av materialforskare och ingenjörer vid GE:s vidsträckta forskningscenter bara några kilometer bort. Nu är några av samma forskare ansvariga för att reproducera dessa resultat i en produktionsanläggning som är tillräckligt stor för att rymma tre och en halv fotbollsplan.

Ingenjörerna har flyttat från det bukoliska forskningscentret, som ligger på en kulle med utsikt över Mohawkfloden, ner till tillverkningsplatsen, som gränsar till floden vid kanten av Schenectady, New York, en arbetarstad känd under sin storhetstid som Electric Stad. Där övervakar de installation och testning av robotik, högtemperaturugnar och analysutrustning som ska övervaka produktionsprocessen. De nya batterierna använder en avancerad keramik som elektrolyt inuti ett förseglat metallhölje som innehåller nickelklorid och natrium; Tekniken lovar att lagra tre gånger så mycket energi som de blybatterier som används i datacenter, i tunga elfordon och för reservkraft. Men nästan allt kan gå fel. Om, säg, partiklarna som utgör keramiken är ojämna i storlek eller inte har torkats ordentligt, kan batteriets prestanda bli kort. Det betyder att förhållandena i den enorma fabriken måste kontrolleras noggrant, och flertonsenheter måste kunna matcha laboratorieutrustningens exakthet. Det är inte för de svaga i hjärtat, säger Michael Idelchik, GE:s vicepresident för avancerad teknologi.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2012

• Se resten av frågan
• Prenumerera

GE-anläggningen är en av ett antal anläggningar runt om i landet som producerar ny teknik för snabbt växande marknader inom avancerade batterier, elfordon och solenergi – men dessa ansträngningar kan inte motverka verkligheten att den amerikanska tillverkningssektorn är i trubbel. Efter decennier av outsourcing av produktion i ett försök att sänka kostnaderna, har många stora företag förlorat expertis för de komplexa ingenjörs- och designuppgifter som krävs för att skala upp och producera dagens mest innovativa nya teknologier, för att inte tala om aptiten för riskerna.

I steg: En viktig del av GE:s batteriproduktionsprocess är tillverkningen av keramiska rör, som fungerar som en elektrolyt. De vita rören rör sig nedför ett löpande band, där de kommer att förseglas för att slutföra den keramiska monteringen som går in i battericellen.

Om du tror på Thomas Friedmans påstående att världen är platt och att flytta tillverkning till platser där produktionen är billig gör företagen mer konkurrenskraftiga, kanske en sådan förändring inte spelar någon roll utöver dess implikationer för den amerikanska ekonomin och dess arbetare. Men USA är fortfarande världens mest produktiva källa till ny teknik, särskilt materialbaserade, och bevisen växer på att dess minskade tillverkningskapacitet allvarligt skulle kunna försvaga global innovation. Det finns gott om skäl att tro att modellen för den amerikanska datorindustrin – som framgångsrikt har lagt ut mycket av sin produktion på entreprenad under de senaste decennierna och gjort design, inte tillverkning, till sin prioritet – inte kommer att fungera effektivt för företag som försöker kommersialisera innovationer inom energi. , avancerade material och andra framväxande sektorer.

Akademiska forskare har börjat dokumentera de komplexa sambanden mellan innovation och tillverkning i syfte att klargöra hur förlusten av amerikansk tillverkning kan påverka framväxten av ny teknik. Willy Shih, professor i management vid Harvard Business School, har skapat en lista över grundläggande teknologier där USA har slösat bort sitt försprång inom tillverkning de senaste åren. De inkluderar kristallina kiselskivor, LCD-skärmar, krafthalvledare för solceller och många typer av avancerade batterier. Och han har i detalj beskrivit hur att förlora den industriella allmänningen – forskningskunskapen, ingenjörskunskapen och tillverkningsexpertisen som behövs för att göra en specifik teknik – ofta kan innebära att förlora kunskapen och incitamenten för att skapa framsteg inom relaterad teknik. Till exempel, eftersom produktionen av kiselhalvledare och tillhörande försörjningskedjor har flyttats till Asien, har utvecklingen av nya kiselbaserade solceller hämmats i USA.

Det visar sig att det inte nödvändigtvis är sant att innovativ teknik helt enkelt kommer att tillverkas någon annanstans om det inte händer i USA. Enligt forskning av Erica Fuchs, biträdande professor vid Carnegie Mellon University, har utvecklingen av integrerad fotonik, där lasrar och modulatorer kläms på ett enda chip, till stor del övergivits av optoelektroniska tillverkare eftersom de har flyttat produktionen bort från USA . Många telekomföretag tvingades söka billigare produktion i Östasien efter industrins kollaps i början av 2000-talet, och skillnader i tillverkningsmetoder gjorde att det inte var ekonomiskt lönsamt att producera integrerade fotoniska chips i dessa länder. Således övergavs en teknik som en gång verkade vara bara några år ifrån att revolutionera datorer och till och med biosensorer. Ekonomer kan hävda att vi inte bryr oss om var något produceras, säger Fuchs, men platsen kan djupt påverka de produkter du väljer att göra och själva teknikbanan.

För många människor inom industrin är kopplingarna mellan innovation och tillverkning givna – och en anledning till oro. Vi har lärt oss att utan fotfäste inom tillverkning, är förmågan till innovation avsevärt äventyrad, säger GE:s Idelchik. Problemet med att lägga ut produktion är inte bara att du så småningom förlorar din ingenjörsexpertis utan att företag blir beroende av någon annans innovation för nästa generations produkter. En följd, säger han, är att forskare och ingenjörer tappar förståelsen för tillverkningsprocessen och vad den kan göra: Du kan designa vad du vill, men om ingen kan tillverka det, vem bryr sig?

USA är fortfarande världens mest produktiva källa till ny teknik, särskilt materialbaserad, och bevisen växer på att dess försämrade tillverkningskapacitet allvarligt skulle kunna lamslå global innovation.

Efter decennier som världens största tillverkare, tillverkar USA nu, enligt några nya uppskattningar, 19,4 procent av världens tillverkade varor – näst efter Kina, vilket utgör 19,8 procent. Även i högteknologiska produkter importerar USA nu mer än vad det gör. Denna statistik har konsekvenser för sysselsättningen, den nationella konkurrenskraften och till och med landets politik och sociala struktur. Men lika oroande, särskilt på lång sikt, är vad USA:s minskande förmåga att tillverka saker innebär för nästa generations teknik. Kan USA återfå sin förmåga att ta sig an högrisktillverkning? För att ställa samma fråga på ett annat sätt, riskerar många av dagens mest lovande innovationer att drabbas av samma öde som integrerade fotoniska chips? Kan USA återfå sin förmåga att ta sig an högrisktillverkning? För att ställa samma fråga på ett annat sätt, riskerar många av dagens mest lovande innovationer att drabbas av samma öde som integrerade fotoniska chips?

Electric Motor City

Staden Detroit, i decennier centrum för amerikansk biltillverkning, tycker om att visa upp sina ansträngningar för stadsförnyelse. En modern baseballstadion ligger i utkanten av centrum; ett livligt teaterdistrikt ligger i närheten. Ändå finns tomma och urklippta skyskrapor inom gångavstånd från de glänsande glastornen i General Motors huvudkontor och de nya lägenheterna som reser sig över stadens flodstrand. Och i utkanten av staden, i områden som delas av motorvägar med namn som Chrysler Freeway och Edsel Ford Freeway, är förödelsen ännu tydligare i de till synes oändliga sträckorna av övergivna industribyggnader. Cirka 22 procent av jobben i Michigan är fortfarande knutna till biltillverkning, och ett decennium av konkurser och sjunkande försäljning bland biltillverkare i Detroit har fått regionen att slingra sig. Nästan en halv miljon jobb har förlorats i sydöstra Michigan sedan 2000.

Mitt i ruinerna är dock monteringsfabriken i GM Detroit Hamtramck en oas av ordning och aktivitet. Även om parkeringsplatsen är mindre än halvfull en dag i början av hösten, förkroppsligar den massiva anläggningen, byggd i mitten av 1980-talet för att tillverka Cadillacs och Buicks, Detroits försök att återuppfinna sig själv. Ett fält med solpaneler har installerats framför den; i utkanten av besöksparkeringen finns en rad carportar utrustade med eluttag.

Inuti fabriken har Cadillacs och Buicks ersatts på löpande band av Chevrolet Volt, GM:s nyligen introducerade elbil, och dess europeiska motsvarighet, Opel Ampera. Elfordonen fyller ungefär varannan tillgänglig plats på produktionslinjen, men GM hoppas kunna öka produktionen till 60 000 elbilar till nästa år. Liksom alla moderna biltillverkningsanläggningar är Hamtramck-anläggningen i Detroit en virvel av robotik och stora delar som rör sig medvetet längs löpande band som smälter samman vid kritiska punkter; vid en av dessa korsningar tappas den målade stålramen långsamt ner på chassit och motorn. Automatiserade pneumatiska skiftnycklar punkterar den relativa tystnaden när de applicerar exakt vridmoment för att skruva ihop bitarna.

Nära centrum för all aktivitet, sittande för sig själva, finns de T-formade litiumjonbatterierna som är hjärtat i den nya bilen och en källa till ekonomiskt hopp för stora delar av Michigan. Batteripaketet på 435 pund är en enorm förbättring jämfört med de enorma blybatterierna på 1 100 pund som användes i den olyckliga första generationen elbilar som GM tillverkade på 1990-talet. De mindre, lättare nya batterierna är mycket lättare att få plats i en kompakt bil som Volt, och den nya kemin förbättrar fordonets prestanda.

Varje batteripaket innehåller cirka 288 celler, som var och en innehåller en serie exakt matchade tunna ark av anoder och katoder. Om GM gör 60 000 volt nästa år, skulle dessa bilar lätt förbruka produktionen från flera enorma batteritillverkningsanläggningar. Men om elbilsmarknaden plötsligt tar fart – till exempel på grund av billigare eller effektivare batterier – kan behovet bli mycket större. Det har uppskattats att om elbilar stod för en tiondel av USA:s bilförsäljning skulle 43 stora batterifabriker krävas för att försörja biltillverkarna.

Den potentiella aptiten på batterier bland GM och andra biltillverkare har lett till byggandet av minst ett halvdussin tillverknings- och monteringsfabriker i en radie på 200 mil runt Detroit. Delvis sporrad av Obama-administrationens 2,4 miljarder dollar i finansiering för avancerad batteriproduktion och elfordon, presenterar denna utveckling en vision om hur en återhämtning i regionens tillverkningsbas kan se ut. Den presenterar också en ögonblicksbild av den enorma utmaning som det innebär att skapa en sådan infrastruktur.

Cirka 125 miles norr om Detroit Hamtramck monteringsfabrik är en av de största av de nya batterianläggningarna. Dow Kokam, ett joint venture mellan Dow Chemical, TK Advanced Battery och det franska företaget Groupe Industriel Marcel Dassault, bygger en fabrik för 322 miljoner dollar i Midland, Michigan, som kommer att kunna tillverka tillräckligt med litiumjonbattericeller för cirka 30 000 elektriska bilar. Även om konstruktionen pågår och mycket av utrustningen fortfarande installeras, ger en snabb rundtur en känsla av verksamhetens storlek och komplexitet. I ett stort högt i tak finns ett stort antal automatiserade ställ där varje battericell kommer att bildas, en kritisk operation där batteriet laddas och laddas ur för att exakt ställa in kemin.

Det är den här typen av skala och uppmärksamhet på detaljer som lockar intresset från företag som Dow, världens näst största kemikalieproducent. Anläggningen ligger precis utanför gränserna för Dows kemiska verksamhet i Michigan, en liten stad med låga produktionsbyggnader som är sammankopplade av en labyrint av korsande överliggande rör. Det är ett vidsträckt vittnesbörd om kopplingarna mellan olika ingredienser och råvaror som används för att tillverka industriprodukter, och om den skaleffektivitet som ofta krävs vid tillverkning.

Försörjningskedjan för tillverkning av litiumjonbatterier börjar djupt inne i det kemiska komplexet. Någonstans nere på en av gatorna som löper genom anläggningen ligger en obeskrivlig byggnad där arbetare en gång tillverkade kemikalier som användes i plast. Nu förvandlar Dow det till en produktionsanläggning för katod- och anodmaterial som behövs i litiumjonbatterier. Alla som kommer in måste ta på sig en vit rock, slå in skor i pappersöverdrag och underkasta sig en luftspraydusch som är utformad för att ta bort herrelösa damm och partiklar. Inuti bearbetas pulvret för katoderna och anoderna i stora behållare utformade för att minimera kontaminering. Materialet kommer att skickas till en av batterifabrikerna som byggs; även om den närliggande Dow Kokam-fabriken inte är skyldig att köpa anoderna och katoderna från sitt moderbolag, skulle det passa naturligt.

Skruva upp värmen: Kalcineringsanordningen, som visas, är kritisk vid tillverkning av pulver för keramen.

Precis som GE:s Idelchik, erkänner Dows tekniska chef, William Banholzer, riskerna med att skala upp ny teknik. Men han säger att Dows storlek och djupa fickor tillåter den att ta risker som skulle vara svåra för små startups, och dess omfattande infrastruktur gör det möjligt för den att effektivt integrera de olika aspekterna av tillverkningsprocessen. Dows storlek gjorde det också möjligt för den att säkra sina satsningar på batterier genom att gå in på andra nya energimarknader. På motsatt sida av det enorma tillverkningskomplexet från Dow Kokam-fabriken bygger man en solcellsanläggning som kommer att tillverka takbältros som innehåller tunnfilmssolceller. Omfattningen av energi är så stor att det är väldigt svårt att säga att energi kommer att lösas av små företag, säger Banholzer. Det är inte förrän du faktiskt har börjat tillverka som du får en titt på dina verkliga kostnader och vårtor, säger han. I energiföretag där en demonstrationsanläggning kan kosta 500 miljoner dollar går riskkapitalmodellen sönder, tillägger han. Den stora frågan är: kan små företag någonsin konkurrera med stora företag på detta område?

ÖVERLEVNINGSINSTINKTER

Det är en fråga som kommer till en av de viktigaste utmaningarna för att återuppliva tillverkningssektorn. Banholzer har säkert rätt i att startups inte kan konkurrera med produktionskapaciteten hos en Dow eller GE. Men det är också sant att små företag arbetar med några av våra mest lovande teknologier, särskilt i skärningspunkten mellan nya material och energi. Om dessa tekniker kan produceras ekonomiskt, skulle de kunna utöka befintliga marknader avsevärt. Utmaningen för nystartade företag är alltså att ta reda på ett sätt att tillverka sina teknologier med hjälp av nuvarande tillverkningskunnande samtidigt som de utvecklar produkter som är tillräckligt radikala för att störa etablerade teknologier.

Ann Marie Sastry tror helt klart att hennes startup kan göra just det. Inrymt i en liten industripark i Ann Arbor, Michigan, arbetar Sakti3 på en nästa generations teknik för solid state-batterier (ser TR10, maj/juni 2011) . Tillverkningsområdet på baksidan av kontoren är strikt förbjudet för besökare, liksom kameror och frågor under en snabb rundtur i test- och designområdena; VD Sastry kommer att avslöja några detaljer om tekniken förutom att säga att batteriet inte har några flytande elektrolyter och att företaget använder tillverkningsutrustning som en gång användes för att göra potatispåsar. Men hon är mer öppen för att förklara hur startupen kan frodas i den mycket konkurrensutsatta sektorn för avancerade batterier.

Strategin börjar med insikten om att all ny teknik måste lova fördelar långt utöver vad som är möjligt med befintliga produkter. Om du börjar med den nuvarande [litiumjon]-tekniken, säger hon, kan du få fem eller 10 eller 20 poängs prestanda genom att justera den processen, men du måste acceptera att du aldrig kommer att få något transformativt. Men en fördubbling av energitätheten hos batterier kan ha en enorm inverkan på att driva kommunikationsenheter, säger hon, särskilt i områden med liten tillgång till el för frekvent laddning. Transporterna kan påverkas ännu djupare. Nya batterier med större energitäthet och betydligt lägre kostnad kan höja efterfrågan på elfordon till en helt ny nivå, säger hon.

Så hon och hennes kollegor började med det periodiska systemet för att uppfinna ett nytt batteri. Redan från första början visste företaget att tekniken måste skalas. Vi tog inte med oss ​​ett rent pappersark till tillverkningen, säger hon. Vi började med en analys av tillverkningsmetoder som hade varit och kunde skalas.

Att titta på det periodiska systemet för material som kan störta nuvarande teknik är en vanlig strategi i dessa dagar för tidiga energistarter. Gerbrand Ceder, en materialforskare vid MIT, initierade ett materialgenomprojekt för flera år sedan som använder datorer för att analysera och förutsäga egenskaperna hos material över det kända kemiska universum och hoppas kunna skapa en öppen databas med informationen. (Efter att Vita huset tillkännagav sitt Materials Genome Initiative gick han med på att döpa om sin insats till Materials Project för att undvika förvirring.) Ett huvudmål är att mer effektivt identifiera material som är lämpliga för tillverkning.

Ceder har systematiskt analyserat olika föreningar för deras potential som batterimaterial. Med hjälp av de beräkningsverktyg som utvecklats av hans materialgenomprojekt har Pellion, en startup i Cambridge, Massachusetts, som han var med och grundade 2009, identifierat nya katoder för ett magnesiumbaserat batteri. Om det fungerar, säger Ceder, kan batterierna ha dubbelt eller tre gånger så mycket energitäthet som dagens litiumjonbatterier. Lika viktigt, säger han, kan de ingå i den befintliga tillverkningen av litiumjonbatterier. Och det är avgörande, säger han, för om du måste uppfinna ett nytt material som kan ersätta det befintliga kan det ta fem till 10 år, men om du också måste uppfinna en ny design kan det ta 10 till 20 år.

Andra lovande energistartuper i tidigt skede är baserade på ansträngningar att kringgå välkända tillverkningsbegränsningar. Till exempel utvecklar Alta Devices, ett företag i Santa Clara, Kalifornien, vars grundare inkluderar ledande forskare från Caltech och University of California, Berkeley, ett sätt att tillverka solcellsceller med hjälp av filmer av galliumarsenid som bara är en mikrometer tjocka. Galliumarsenid, som används flitigt som ingrediens i lasrar och andra fotoniska enheter, har stora optiska egenskaper men är för dyrt för de flesta solceller. Den nya tekniken använder dock så lite av materialet att priset inte längre är oöverkomligt. Alta Devices har ägnat de senaste åren åt att fullända produktionsprocessen; man har påbörjat en pilotlinje för att tillverka solcellsmaterial nästa år och hoppas kunna starta kommersiell produktion 2013.

I takt med att riskerna och kostnaderna för att skala upp energiteknik blir allt tydligare, blir det vanligt att nystartade företag överväger de praktiska aspekterna av tillverkning när de tänker på sina innovationer. Men hur hoppas ett litet företag, även med ett radikalt annorlunda material, kunna lyckas på mycket konkurrensutsatta sol- och batterimarknader som kräver enorma kapitalinvesteringar? Att samarbeta med ett stort företag är en självklar strategi. Alta Devices, till exempel, arbetar med Dow på nästa generations material för kemiföretagets solbältros; GM är en investerare i Sakti3. Ändå står energistartuperna inför den skrämmande sanningen att skala upp innovationer till framgångsrika tillverkningsoperationer kan ta hundratals miljoner dollar.

Det finns dock åtminstone ett exempel på framgång nyligen.

Makt hungrig: GE:s batterifabrik täcker ett utrymme som är lika stort som tre och en halv fotbollsplan och inkluderar så energikrävande utrustning som stora ugnar. Den elektriska utrustningen till höger förser den enorma fabriken med ström.

INLÄRNINGSKURVA

När Yet-Ming Chiang var med och grundade A123 Systems 2001 på grundval av sin MIT-forskning om batterimaterial, fanns det ingen avancerad batteritillverkning i USA. Även om mycket av det vetenskapliga arbetet som ledde till uppfinningen av litiumjonbatterier hade gjorts i det här landet, inklusive framsteg som uppnåtts vid University of Texas, var det Sony som kommersialiserade batterierna 1991. Därefter gjorde tillverkare i Korea och Kina betydande investeringar i tekniken. Med fyra gånger energikapaciteten hos nickel-kadmium-batterier och dubbelt så stor som nyare nickel-metallhydrid-batterier, blev litiumjonbatterier den dominerande tekniken i konsumentenheter, vilket gör dagens små, kraftfulla mobiltelefoner och bärbara datorer möjliga.

Under tiden försökte de två stora amerikanska batteritillverkarna, Duracell och Eveready (nu kallad Energizer), utveckla sina egna litiumjonprodukter under 1990-talet. Eveready kom så långt som att bygga en fabrik i Gainesville, Florida, men även när anläggningen förbereddes för kommersiell produktion sjönk priset på litiumjonbatterier och företaget bestämde sig för att det var billigare att köpa celler från japanska tillverkare än att tillverka sina egna. Det lämnade litiumjonbatteribranschen och Duracell följde snart efter.

Så Chiang och hans kollegor på A123 byggde en fabrik i Changzhou, Kina (se An Electrifying Startup, maj/juni 2008) . Flytten var inte avsedd att lägga ut produktion på entreprenad, säger Chiang, utan för att skaffa den nödvändiga tillverkningskompetensen. Därefter köpte A123 en sydkoreansk tillverkare som ett sätt att börja utveckla den expertis som behövs för att göra de platta celler som krävs för elbilsbatterier. När A123 bestämde sig för att vara närmare sina potentiella bilkunder i Detroit, klonade den den koreanska fabriken i Livonia, Michigan, och den kinesiska fabriken några mil bort i Romulus, med hjälp av ett anslag på 249 miljoner dollar från den federala regeringen. Som ett resultat av denna strategi kunde A123 bli en stor tillverkare på anmärkningsvärt kort tid, och byggde Livonia-fabriken på drygt ett år och Romulus-fabriken på nio månader.

Företaget blev snart en av landets högst profilerade energistartuper – och en av de få som har skalat upp sin teknik och byggt vad det hävdade 2010 var den största litiumjon-bilbatterifabriken i Nordamerika. 2009 blev det börsnoterat och samlade in cirka 400 miljoner dollar. Men tyvärr för dem som hoppas kunna efterlikna en sådan framgång är de politiska och finansiella omständigheterna som gjorde att A123 kunde samla in nästan 1 miljard dollar i privata och offentliga investeringar för länge sedan borta.

En av lärdomarna från A123 är exakt hur mycket det kostade att bli framgångsrik, säger Chiang. Och man undrar hur ofta det kan replikeras. I det rådande klimatet undrar man om det finns en vilja att göra detta om och om igen. Inom bioteknikindustrin har vägen till kommersialisering blivit tydlig under åren – samarbeta med stora läkemedelsföretag, uppfylla förväntade milstolpar och genomgå den regulatoriska godkännandeprocessen som krävs för nya produkter. Men det är inte så enkelt för energistartuper, säger Chiang, vars senaste startup, 24M, hoppas kunna utveckla en radikalt ny batteriteknik. De små företagen som utvecklar ny energiteknik, säger han, måste fortfarande ta reda på det.

LAGSPORTER

Nuförtiden står Evergreen Solars tre år gamla fabrik i Marlborough, Massachusetts, tom med en stor For Lease-skylt framför. Evergreens konkurs i augusti, och Solyndra en månad senare, orsakade mycket handvridning över framtiden för solenergi. I synnerhet har kollapsen av Solyndra, en Silicon Valley-baserad tillverkare som hade fått en lånegaranti på 535 miljoner dollar från den federala regeringen, lett till kritik av den roll som regeringen har spelat för att stödja förnybar energi och i synnerhet dess dåliga resultat i att utse vinnare.

Regeringen har en erfarenhet av att stödja några ökända energimisslyckanden. Och att skala upp ny teknik är naturligtvis riskabelt. Men sådan kritik har överskuggat de förmodligen mer intressanta lärdomarna som kan dras från konkurserna: på många sätt var företagens misslyckanden i både strategi och utförande tillverkningsfel. Deras affärsmodeller var beroende av att använda radikalt ny teknik för att få ner kostnaderna för att tillverka solpaneler, utan att ignorera sanningen att ny teknik till en början nästan aldrig är billigare än väloptimerade befintliga processer. Och inget av företagen hade produkter som var tillräckligt innovativa för att få de flesta kunder att betala ett premiumpris. Evergreen och Solyndra stod inför många oväntade marknadsförändringar – bland dem en plötslig nedgång i kiselpriserna och överproduktionen av solpaneler – men konkurrerande företags förmåga att fortsätta sänka sina tillverkningskostnader för mer konventionella solpaneler borde inte ha varit en överraskning (se Den kinesiska solmaskinen).

Det finns andra tillverkningsläxor att dra från kollapserna av dessa två företag. Evergreens innovation kretsade kring ett enda steg i produktionsprocessen – ett sätt att göra kiselwafers billigare. Ändå tillverkade och sålde företaget kompletta solpaneler – och de var en annan storlek än industristandarden, vilket tvingade sina kunder in i den oönskade positionen att göra ett långsiktigt engagemang för en specifik teknik.

Likaså Solyndra (en av BARN 50 mest innovativa företagen 2010) gjorde en rad tillverkningsfel. I en anmälan till statliga tillsynsmyndigheter i december 2009 erkände företaget att vår specialbyggda utrustning kan ta längre tid och kosta mer att konstruera och bygga än förväntat och kanske aldrig fungerar som det krävs för att uppfylla våra produktionsplaner. Sådana varnande ord är ofta förekommande i dessa anmälningar, men i det här fallet var de förutseende. I synnerhet försökte Solyndra bygga ut sin tillverkningskapacitet i snabb takt, planerade en andra produktionsanläggning trots att den fortfarande byggde ut den första – och förlorade enorma summor pengar på grund av dess relativt höga kostnader. I efterhand är det uppenbart att båda företagen expanderade tillverkningen alldeles för snabbt, med alldeles för liten förståelse för sina unika produktionsprocesser, sin konkurrens eller sina kunders krav.

Ett sätt att undvika sådana misstag är att öka samarbetet mellan företag som utvecklar ny teknik. Utkanten av Albany kommer aldrig att förväxlas med Silicon Valley, men namnen på företagen vid College of Nanoscale Science and Engineering där är bekanta för alla inom halvledarindustrin: Intel, IBM, TSMC, Applied Materials och Tokyo Electron. Tanken är att de gemensamma anläggningarna ger möjlighet för chiptillverkare, utrustningsleverantörer och ingenjörsföretag att utveckla och utvärdera sina produkter. Förra året flyttade Sematech, det amerikanska konsortiet av halvledarföretag, sin verksamhet till komplexet på 12 miljarder dollar. Dess senaste initiativ: att hjälpa till att återuppliva den amerikanska solenergiindustrin på samma sätt som det hjälpte halvledarindustrin att återfå fotfästet på 1980- och 1990-talen.

En av lärdomarna från Solyndra-misslyckandet är att det innebar att satsa på en mycket riskabel teknik och spendera hundratals miljoner på oprövade produktionsprocesser, säger Pradeep Haldar, som leder det nya fotovoltaiska tillverkningskonsortiet i Albany, ett partnerskap mellan Sematech och CNSE. Däremot, säger han, kan tillverkare av tunnfilmssolceller använda den befintliga infrastrukturen vid Albany-anläggningen för att få en verklighetskontroll, inklusive reaktioner från materialleverantörer och potentiella kunder.

Denna samarbetsstrategi är attraktiv även för stora tillverkare som GE. Innovation är en lagsport, säger Idelchik, men alltför ofta i USA försöker vi göra det i ett vakuum. Möjligheter som de som erbjuds vid Albanys nanoteknikcenter är särskilt viktiga, tror han, eftersom tillverkarna befinner sig i en övergångsperiod. Den världsomspännande lågkonjunkturen som började 2008 lämnade företag med enorma mängder överkapacitet, men kostnaderna för material och arbetskraft har fortsatt att stiga tillsammans med levnadsstandarden i länder som Kina och Indien. Det betyder att det inte längre är effektivt att försöka pressa kostnaderna ur tillverkningen genom att till exempel jaga lägre prissatt arbetskraft. För att förbli konkurrenskraftiga, säger Idelchik, måste företag gå över till högrisktillverkning med hög avkastning av avancerade produkter och material. Men tillägger han, sådan högrisktillverkning kräver ett ekosystem av leverantörer, utrustningstillverkare och kunder.

Det ekosystemet är i grunden vad Harvards Willy Shih kallar industriella allmänningar. Hur det än beskrivs är det vad USA har förlorat i LCD-skärmar och integrerad fotonik, nästan har förlorat i avancerade batterier och snabbt förlorar i kiselsolpaneler. Det är vad A123 och Dow försöker hjälpa till att bygga om för avancerade batterier i Michigan, vad Sematech hoppas kunna initiera för tunnfilmssolpaneler och vad startups som Pellion, 24M och Alta Devices alla hoppas att de kan dra nytta av – och sedan så småningom störa. .

Huruvida sådana startups överlever beror ironiskt nog mycket på om de marknader som de i slutändan hoppas kunna ersätta är robusta och växande. Ändå är de industriella allmänningarna ömtåliga, och deras överlevnad kommer att bero både på marknader och på regeringens politik. Uppkomsten av avancerad batteritillverkning i Michigan är till stor del ett resultat av stöd från Obama-administrationen. Huruvida det frodas beror på hur många elbilar GM och andra kan sälja och om regeringen fortsätter att ge incitament till den nya industrin, inklusive finansiering av forskning. På längre sikt kan dess hälsa mycket väl bero på hur väl den är i stånd att ta till sig verkligt innovativ ny teknik från de tidiga startuperna. Konsekvenserna kommer att märkas djupt. Som Shih har visat har USA förlorat viktiga tillverkningssektorer och relaterade innovationsförmåga flera gånger. Och hans lista över dagens riskteknologier är lång. Om avancerade batterier, solenergiteknik och tillverkning av avancerade material blir ännu fler offer kommer det säkert att skada förmågan att uppfinna framtida teknologier.

Dessa dagar spenderar Yet-Ming Chiang åtminstone en del av sitt hektiska schema bland de trånga båsen på 24M, en fem minuters cykeltur från hans MIT-labb. För ungefär tre år sedan, medan han arbetade på A123 på ett sabbatsår från MIT, började Chiang fundera på hur nästa generations batteriteknik kan se ut. En stor del av kostnaderna för att tillverka litiumjonbatterier beror på olika icke-aktiva komponenter och flerstegsprocessen för att skikta elektroderna och katoderna. De faktiska energilagrande delarna - elektroderna och elektrolyten - står för ungefär en femtedel av den totala kostnaden. Tänk om, undrade han, man kunde designa ett batteri som gjorde sig av med de icke-energilagrande ingredienserna och den dyra cell- och modulmonteringen? Resultatet är flödesbatteriet som 24M utvecklar, i vilket elektroderna cirkulerar i halvfast form. En potentiell fördel med denna design är att tillverkningen kan vara mycket mindre kapitalkrävande. Dessutom, säger Chiang, är den designad för att fungera med den befintliga leveranskedjan och tillverkningsinfrastrukturen för litiumjonbatterier.

Chiang säger att hans erfarenhet av A123 var avgörande för att komma fram till den nya batteridesignen. Det bästa sättet att göra batteriforskning är att ha startat ett batteriföretag, säger han. Genom att vara nära tillverkningen inser du vad som kan påverka. Det är argumentet för varför tillverkning är så viktig i dessa utvecklingsområden.

David Rotman är Teknikgranskning s redaktör.

Dölj