Possiamo costruire le scoperte di domani?

La produzione negli Stati Uniti è in difficoltà. Questa è una cattiva notizia non solo per l'economia del paese, ma per il futuro dell'innovazione. Di

• David Rotman pagina di archivio

19 dicembre 2011

In un edificio simile a un hangar dove una volta la General Electric assemblava le turbine a vapore, viene costruito un impianto di produzione di batterie da 100 milioni di dollari per realizzare prodotti utilizzando una chimica mai commercializzata prima su così larga scala. Le batterie agli alogenuri metallici di sodio che produrrà sono state testate e ottimizzate negli ultimi anni da un team di scienziati e ingegneri dei materiali presso il vasto centro di ricerca di GE a poche miglia di distanza. Ora alcuni degli stessi ricercatori sono responsabili della riproduzione di quei risultati in un impianto di produzione abbastanza grande da contenere tre campi da calcio e mezzo.

Gli ingegneri si sono trasferiti dal bucolico centro di ricerca, che si trova su una collina che domina il fiume Mohawk, fino al sito di produzione, che confina con il fiume ai margini di Schenectady, New York, una città operaia conosciuta nel suo periodo di massimo splendore come Electric Città. Lì supervisionano l'installazione e il collaudo di robotica, forni ad alta temperatura e apparecchiature analitiche che monitoreranno il processo di produzione. Le nuove batterie utilizzano una ceramica avanzata come elettrolita all'interno di una custodia metallica sigillata contenente cloruro di nichel e sodio; la tecnologia promette di immagazzinare tre volte più energia delle batterie al piombo utilizzate nei data center, nei veicoli elettrici pesanti e per l'alimentazione di backup. Ma quasi tutto può andare storto. Se, ad esempio, le particelle che compongono la ceramica sono di dimensioni irregolari o non sono state adeguatamente asciugate, le prestazioni della batteria potrebbero essere inferiori. Ciò significa che le condizioni nell'enorme fabbrica devono essere strettamente controllate e che i dispositivi multi-tonnellate devono essere in grado di corrispondere all'esattezza delle apparecchiature di laboratorio. Non è per i deboli di cuore, afferma Michael Idelchik, vicepresidente delle tecnologie avanzate di GE.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2012

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Lo stabilimento GE è una delle numerose strutture in tutto il paese che producono nuove tecnologie per i mercati in rapida crescita di batterie avanzate, veicoli elettrici ed energia solare, ma questi sforzi non possono contrastare la realtà che il settore manifatturiero degli Stati Uniti è in difficoltà. Dopo decenni di esternalizzazione della produzione nel tentativo di ridurre i costi, molte grandi aziende hanno perso l'esperienza per le complesse attività di ingegneria e progettazione necessarie per ampliare e produrre le nuove tecnologie più innovative di oggi, per non parlare della propensione per i rischi coinvolti.

Al passo: Una parte fondamentale del processo di produzione delle batterie di GE è la fabbricazione di tubi in ceramica, che fungono da elettrolita. I tubi bianchi scendono lungo una catena di montaggio, dove verranno sigillati per completare l'assemblaggio in ceramica che va nella cella della batteria.

Se credi all'affermazione di Thomas Friedman che il mondo è piatto e che spostare la produzione in luoghi in cui la produzione è economica rende le aziende più competitive, un tale cambiamento potrebbe non avere importanza al di là delle sue implicazioni per l'economia degli Stati Uniti e i suoi lavoratori. Ma gli Stati Uniti rimangono la fonte più prolifica al mondo di nuove tecnologie, in particolare quelle basate sui materiali, e stanno crescendo le prove che le sue ridotte capacità produttive potrebbero paralizzare gravemente l'innovazione globale. Ci sono ampie ragioni per credere che il modello dell'industria informatica statunitense, che ha esternalizzato con successo gran parte della sua produzione negli ultimi decenni e ha fatto del design, non della produzione, la sua priorità, non funzionerà efficacemente per le aziende che cercano di commercializzare innovazioni nel settore energetico. , materiali avanzati e altri settori emergenti.

I ricercatori accademici hanno iniziato a documentare le complesse connessioni tra innovazione e produzione con l'obiettivo di chiarire come la perdita della produzione statunitense potrebbe influenzare l'emergere di nuove tecnologie. Willy Shih, professore di management alla Harvard Business School, ha creato un elenco di tecnologie di base in cui gli Stati Uniti hanno sperperato il primato nella produzione negli ultimi anni. Includono wafer di silicio cristallino, LCD, semiconduttori di potenza per celle solari e molti tipi di batterie avanzate. E ha spiegato in dettaglio come perdere i beni comuni industriali - il know-how di ricerca, le capacità ingegneristiche e le competenze di produzione necessarie per realizzare una tecnologia specifica - può spesso significare perdere le conoscenze e gli incentivi per creare progressi nelle tecnologie correlate. Ad esempio, poiché la produzione di semiconduttori al silicio e le relative catene di approvvigionamento si sono spostate in Asia, lo sviluppo di nuove celle solari a base di silicio è stato ostacolato negli Stati Uniti.

Si scopre che non è necessariamente vero che le tecnologie innovative saranno semplicemente prodotte altrove se non accade negli Stati Uniti. Secondo una ricerca di Erica Fuchs, assistente professore alla Carnegie Mellon University, lo sviluppo della fotonica integrata, in cui laser e modulatori sono schiacciati su un singolo chip, è stato in gran parte abbandonato dai produttori optoelettronici poiché hanno spostato la produzione dagli Stati Uniti . Molte aziende di telecomunicazioni sono state costrette a cercare una produzione a basso costo nell'Asia orientale dopo il crollo del settore nei primi anni 2000 e le differenze nelle pratiche di produzione hanno fatto sì che la produzione di chip fotonici integrati non fosse economicamente sostenibile in quei paesi. Così una tecnologia che una volta sembrava essere a pochi anni di distanza dal rivoluzionare i computer e persino i biosensori è stata abbandonata. Gli economisti potrebbero obiettare che non ci interessa dove viene prodotto qualcosa, afferma Fuchs, ma la posizione può influenzare profondamente i prodotti che si sceglie di realizzare e la stessa traiettoria tecnologica.

Per molte persone nell'industria, le connessioni tra innovazione e produzione sono un dato di fatto e un motivo per preoccuparsi. Abbiamo appreso che senza un punto d'appoggio nella produzione, la capacità di innovare è notevolmente compromessa, afferma Idelchik di GE. Il problema con la produzione in outsourcing non è solo che alla fine perdi le tue competenze ingegneristiche, ma che le aziende diventano dipendenti dall'innovazione di qualcun altro per i prodotti di prossima generazione. Una ripercussione, dice, è che ricercatori e ingegneri perdono la loro comprensione del processo di produzione e di cosa può fare: puoi progettare tutto ciò che vuoi, ma se nessuno può produrlo, a chi importa?

Gli Stati Uniti rimangono la fonte più prolifica al mondo di nuove tecnologie, in particolare quelle basate sui materiali, e stanno crescendo le prove che le loro ridotte capacità produttive potrebbero paralizzare gravemente l'innovazione globale.

Dopo decenni come il più grande produttore mondiale, gli Stati Uniti ora producono, secondo alcune stime recenti, il 19,4 percento dei manufatti mondiali, secondi alla Cina, che fa il 19,8 percento. Anche per quanto riguarda i prodotti high-tech, gli Stati Uniti ora importano più di quanto producono. Queste statistiche hanno implicazioni per l'occupazione, la competitività nazionale e persino la struttura politica e sociale del paese. Ma altrettanto preoccupante, soprattutto a lungo termine, è ciò che la capacità in declino degli Stati Uniti di produrre cose implica per la prossima generazione di tecnologia. Riusciranno gli Stati Uniti a riconquistare la propria capacità di assumere manifatture ad alto rischio? Per porre la stessa domanda in un modo diverso, molte delle innovazioni più promettenti di oggi rischiano di subire la stessa sorte dei chip fotonici integrati? Riusciranno gli Stati Uniti a riconquistare la propria capacità di assumere manifatture ad alto rischio? Per porre la stessa domanda in un modo diverso, molte delle innovazioni più promettenti di oggi rischiano di subire la stessa sorte dei chip fotonici integrati?

Città del motore elettrico

La città di Detroit, per decenni il centro della produzione automobilistica degli Stati Uniti, ama promuovere i suoi sforzi per il rinnovamento urbano. Un moderno stadio di baseball si trova ai margini del centro cittadino; un vivace quartiere dei teatri si trova nelle vicinanze. Eppure i grattacieli vuoti e sventrati sono a pochi passi dalle torri di vetro lucido del quartier generale della General Motors e dai nuovi condomini che si ergono sul lungofiume della città. E alla periferia della città, in aree attraversate da autostrade con nomi come Chrysler Freeway e Edsel Ford Freeway, la devastazione è ancora più evidente nelle distese apparentemente infinite di edifici industriali abbandonati. Circa il 22% dei posti di lavoro nel Michigan è ancora legato alla produzione automobilistica e un decennio di bancarotte e vendite in calo tra le case automobilistiche di Detroit ha lasciato la regione vacillante. Quasi mezzo milione di posti di lavoro sono andati persi nel sud-est del Michigan dal 2000.

Tra le rovine, tuttavia, lo stabilimento di assemblaggio GM Detroit Hamtramck è un'oasi di ordine e attività. Sebbene il suo parcheggio sia pieno meno della metà in un giorno di inizio autunno, l'enorme impianto, costruito a metà degli anni '80 per produrre Cadillac e Buick, incarna il tentativo di Detroit di reinventarsi. Di fronte è stato installato un campo di pannelli solari; ai margini del parcheggio visitatori c'è una fila di carport dotati di prese elettriche.

All'interno dello stabilimento, Cadillac e Buick sono state sostituite nella catena di montaggio dalla Chevrolet Volt, l'auto elettrica recentemente introdotta da GM, e dalla sua controparte europea, l'Opel Ampera. I veicoli elettrici riempiono all'incirca ogni altro spazio disponibile sulla linea di produzione, ma GM spera di aumentare la produzione a 60.000 auto elettriche entro il prossimo anno. Come ogni moderno impianto di produzione di automobili, lo stabilimento di Detroit Hamtramck è un vortice di robotica e grandi parti che si muovono deliberatamente lungo linee di assemblaggio che si fondono in punti critici; in uno di quegli incroci, il telaio in acciaio verniciato viene lentamente lasciato cadere sul telaio e sul motore. Le chiavi pneumatiche automatizzate perforano la relativa quiete mentre applicano una coppia precisa per serrare i pezzi insieme.

Vicino al centro di tutta l'attività, sedute da sole, ci sono le batterie agli ioni di litio a forma di T che sono il cuore della nuova auto e una fonte di speranza economica per gran parte del Michigan. Il pacco batteria da 435 libbre è un grande miglioramento rispetto alle enormi batterie al piombo acido da 1.100 libbre utilizzate nella sfortunata prima generazione di auto elettriche che GM ha realizzato negli anni '90. Le nuove batterie più piccole e leggere sono molto più facili da ospitare in un'auto compatta come la Volt e la nuova chimica migliora le prestazioni del veicolo.

Ogni pacco batteria contiene circa 288 celle, ognuna delle quali contiene una serie di sottili fogli di anodi e catodi abbinati con precisione. Se GM producesse 60.000 Volt l'anno prossimo, quelle auto consumerebbero facilmente la produzione di diversi enormi impianti di produzione di batterie. Ma se il mercato delle auto elettriche decolla improvvisamente, ad esempio a causa di batterie più economiche o più efficienti, la necessità potrebbe essere molto maggiore. È stato stimato che se le auto elettriche rappresentassero un decimo delle vendite di auto negli Stati Uniti, sarebbero necessarie 43 grandi fabbriche di batterie per rifornire le case automobilistiche.

Il potenziale appetito per le batterie tra GM e altre case automobilistiche ha portato alla costruzione di almeno una mezza dozzina di impianti di produzione e assemblaggio in un raggio di 200 miglia intorno a Detroit. Spronato in parte dai $ 2,4 miliardi di finanziamenti dell'amministrazione Obama per la produzione di batterie avanzate e veicoli elettrici, questo sviluppo presenta una visione di come potrebbe essere una ripresa nella base manifatturiera della regione. Presenta anche un'istantanea dell'enorme sfida implicata nella creazione di una tale infrastruttura.

Circa 125 miglia a nord dello stabilimento di assemblaggio di Detroit Hamtramck è uno dei più grandi dei nuovi impianti di batterie. Dow Kokam, una joint venture di Dow Chemical, TK Advanced Battery e l'azienda francese Groupe Industriel Marcel Dassault, sta costruendo una fabbrica da 322 milioni di dollari a Midland, nel Michigan, che sarà in grado di produrre abbastanza celle agli ioni di litio per circa 30.000 automobili. Sebbene la costruzione sia in corso e gran parte dell'attrezzatura sia ancora in fase di installazione, un rapido tour dà un'idea delle dimensioni e della complessità dell'operazione. In una grande stanza dal soffitto alto c'è un vasto numero di rack automatizzati in cui verrà formata ogni cella della batteria, un'operazione critica in cui la batteria viene caricata e scaricata per impostare con precisione la chimica.

È questo tipo di scala e attenzione ai dettagli che attira l'interesse di aziende come Dow, il secondo produttore chimico al mondo. L'impianto si trova appena fuori dai confini delle operazioni chimiche di Dow nel Michigan, una piccola città di bassi edifici di produzione collegati da un labirinto di tubi sospesi che si incrociano. È una tentacolare testimonianza delle connessioni tra vari ingredienti e materie prime utilizzate nella realizzazione di prodotti industriali e delle efficienze di scala spesso richieste nella produzione.

La catena di approvvigionamento per la produzione di batterie agli ioni di litio inizia nel profondo del complesso chimico. Da qualche parte in una delle strade che attraversano lo stabilimento c'è un edificio anonimo dove un tempo i lavoratori producevano sostanze chimiche utilizzate nella plastica. Ora Dow lo sta trasformando in un impianto di produzione per i materiali del catodo e dell'anodo necessari per le batterie agli ioni di litio. Chiunque entri deve indossare un camice bianco, avvolgere le scarpe in rivestimenti di carta e sottoporsi a una doccia a getto d'aria progettata per rimuovere polvere e particelle vaganti. All'interno, le polveri per i catodi e gli anodi vengono lavorate in grandi contenitori progettati per ridurre al minimo la contaminazione. I materiali verranno spediti ad uno degli impianti di batterie in costruzione; sebbene il vicino impianto Dow Kokam non sia obbligato ad acquistare gli anodi e i catodi dalla società madre, sarebbe una scelta naturale.

Alzando il fuoco: Il calcinatore, mostrato, è fondamentale nella fabbricazione di polveri per la ceramica.

Come Idelchik di GE, il chief technology officer di Dow, William Banholzer, riconosce i rischi di ampliare le nuove tecnologie. Ma dice che le dimensioni e le tasche profonde di Dow le consentono di correre rischi che sarebbero difficili per le piccole startup e la sua vasta infrastruttura le consente di integrare in modo efficiente i vari aspetti del processo di produzione. Le dimensioni di Dow le hanno anche permesso di coprire le sue scommesse sulle batterie entrando in altri nuovi mercati energetici. Sul lato opposto del vasto complesso produttivo dello stabilimento Dow Kokam, sta costruendo un impianto di produzione solare, che produrrà tegole per tetti che incorporano fotovoltaico a film sottile. La scala dell'energia è così grande che è molto difficile dire che l'energia verrà risolta dalle piccole aziende, afferma Banholzer. Non è fino a quando non hai effettivamente iniziato a produrre che puoi dare un'occhiata ai tuoi veri costi e verruche, dice. Nelle attività energetiche in cui un impianto dimostrativo potrebbe costare 500 milioni di dollari, il modello del capitale di rischio non funziona, aggiunge. La grande domanda è: le piccole aziende potranno mai competere con le grandi aziende in questo settore?

ISTINTI DI SOPRAVVIVENZA

È una domanda che tocca una delle sfide chiave del rilancio del settore manifatturiero. Banholzer ha sicuramente ragione nel dire che le startup non possono competere con la capacità produttiva di un Dow o GE. Ma è anche vero che le piccole aziende stanno lavorando su alcune delle nostre tecnologie più promettenti, soprattutto all'incrocio tra nuovi materiali ed energia. Se queste tecnologie possono essere prodotte in modo economico, potrebbero espandere notevolmente i mercati esistenti. La sfida per le startup, quindi, è trovare un modo per realizzare le loro tecnologie utilizzando l'attuale know-how di produzione mentre sviluppano prodotti abbastanza radicali da interrompere le tecnologie consolidate.

Ann Marie Sastry pensa chiaramente che la sua startup possa fare proprio questo. Con sede in un piccolo parco industriale ad Ann Arbor, nel Michigan, Sakti3 sta lavorando a una tecnologia di nuova generazione per batterie a stato solido (vedere TR10, maggio/giugno 2011) . L'area di fabbricazione nel retro degli uffici è rigorosamente interdetta ai visitatori, così come le telecamere e le domande durante un rapido tour delle aree di test e progettazione; Il CEO Sastry rivelerà alcuni dettagli sulla tecnologia, tranne per dire che la batteria non ha elettroliti liquidi e che l'azienda utilizza apparecchiature di produzione che un tempo erano utilizzate per realizzare sacchetti di patatine. Ma è più disponibile nello spiegare come la startup può prosperare nel settore altamente competitivo delle batterie avanzate.

La strategia inizia con il riconoscimento che qualsiasi nuova tecnologia deve promettere vantaggi ben oltre ciò che è possibile con i prodotti esistenti. Se inizi con l'attuale tecnologia [agli ioni di litio], dice, potresti ottenere cinque, 10 o 20 punti di prestazioni modificando quel processo, ma devi accettare che non otterrai mai nulla di trasformativo. Ma raddoppiare la densità energetica delle batterie potrebbe avere un impatto enorme sull'alimentazione dei dispositivi di comunicazione, dice, specialmente in aree con scarso accesso all'elettricità per ricariche frequenti. Il trasporto potrebbe essere influenzato ancora più profondamente. Nuove batterie con una maggiore densità energetica e costi significativamente inferiori potrebbero aumentare la domanda di veicoli elettrici a un livello completamente nuovo, afferma.

Quindi lei e i suoi colleghi hanno iniziato con la tavola periodica per inventare una nuova batteria. Fin dall'inizio, l'azienda sapeva che la tecnologia doveva scalare. Non abbiamo preso un foglio di carta pulito per la produzione, dice. Siamo partiti da un'analisi degli approcci di produzione che erano stati e potevano essere scalati.

Guardare alla tavola periodica per i materiali che potrebbero capovolgere la tecnologia attuale è una strategia frequente in questi giorni per le startup energetiche in fase iniziale. Gerbrand Ceder, uno scienziato dei materiali al MIT, ha avviato diversi anni fa un progetto sul genoma dei materiali che utilizza i computer per analizzare e prevedere le proprietà dei materiali nell'universo chimico conosciuto e spera di creare un database aperto delle informazioni. (Dopo che la Casa Bianca ha annunciato la sua Materials Genome Initiative, ha accettato di rinominare il suo sforzo Materials Project per evitare qualsiasi confusione.) Uno degli obiettivi principali è identificare in modo più efficiente i materiali adatti alla produzione.

Ceder ha analizzato sistematicamente vari composti per il loro potenziale come materiali per batterie. Utilizzando gli strumenti di calcolo sviluppati dal suo progetto sul genoma dei materiali, Pellion, una startup di Cambridge, nel Massachusetts, da lui cofondata nel 2009, ha identificato nuovi catodi per una batteria a base di magnesio. Se funziona, dice Ceder, le batterie potrebbero avere il doppio o il triplo della densità di energia delle odierne batterie agli ioni di litio. Altrettanto importante, dice, potrebbero alimentare la produzione esistente di batterie agli ioni di litio. E questo è fondamentale, dice, perché se devi inventare un nuovo materiale che possa sostituire quello esistente, potrebbero volerci dai cinque ai dieci anni, ma se devi inventare anche un nuovo design, possono volerci dai 10 ai 20 anni.

Altre promettenti startup energetiche in fase iniziale si basano sugli sforzi per aggirare i ben noti limiti di produzione. Ad esempio, Alta Devices, un'azienda di Santa Clara, in California, i cui fondatori includono importanti ricercatori del Caltech e dell'Università della California, Berkeley, sta sviluppando un modo per realizzare celle fotovoltaiche utilizzando pellicole di arseniuro di gallio spesse solo un micrometro. L'arseniuro di gallio, ampiamente utilizzato come ingrediente nei laser e in altri dispositivi fotonici, ha grandi proprietà ottiche ma è troppo costoso per la maggior parte delle celle solari. La nuova tecnologia, tuttavia, utilizza così poco materiale che il suo prezzo non è più proibitivo. Alta Devices ha trascorso gli ultimi anni a perfezionare il processo di produzione; ha avviato una linea pilota per realizzare i materiali fotovoltaici il prossimo anno e spera di iniziare la produzione commerciale nel 2013.

Poiché i rischi e i costi dell'aumento delle tecnologie energetiche diventano sempre più evidenti, sta diventando comune per le startup considerare gli aspetti pratici della produzione quando concepiscono le loro innovazioni. Ma come fa una piccola azienda, anche con un materiale radicalmente diverso, a sperare di avere successo nei mercati altamente competitivi del solare e delle batterie che richiedono enormi investimenti di capitale? La partnership con una grande azienda è una strategia ovvia. Alta Devices, ad esempio, sta lavorando con Dow su materiali di nuova generazione per le tegole solari dell'azienda chimica; GM è un investitore in Sakti3. Tuttavia, le startup energetiche devono affrontare la scoraggiante verità che trasformare le innovazioni in operazioni di produzione di successo può richiedere centinaia di milioni di dollari.

C'è, tuttavia, almeno un esempio recente di successo.

Bisognoso di energia: La fabbrica di batterie GE copre uno spazio delle dimensioni di tre campi da calcio e mezzo e include apparecchiature ad alta intensità energetica come grandi forni. L'attrezzatura elettrica a destra fornisce energia all'immensa fabbrica.

CURVA DI APPRENDIMENTO

Quando Yet-Ming Chiang ha co-fondato A123 Systems nel 2001 sulla base della sua ricerca del MIT sui materiali delle batterie, negli Stati Uniti non esisteva una produzione avanzata di batterie. Sebbene gran parte del lavoro scientifico che ha portato all'invenzione delle batterie agli ioni di litio sia stato svolto in questo paese, compresi i progressi ottenuti presso l'Università del Texas, è stata Sony a commercializzare le batterie nel 1991. Successivamente, i produttori in Corea e Cina hanno realizzato notevoli investimenti in tecnologia. Con quattro volte la capacità energetica delle batterie al nichel-cadmio e il doppio di quelle più recenti al nichel-metallo idruro, le batterie agli ioni di litio sono diventate la tecnologia dominante nei dispositivi di consumo, rendendo possibili i piccoli e potenti telefoni cellulari e laptop di oggi.

Nel frattempo, i due principali produttori di batterie statunitensi, Duracell ed Eveready (ora chiamati Energizer), hanno cercato di sviluppare i propri prodotti agli ioni di litio negli anni '90. Era già arrivato alla costruzione di una fabbrica a Gainesville, in Florida, ma anche se l'impianto si preparava per la produzione commerciale, il prezzo delle batterie agli ioni di litio è sceso e l'azienda ha deciso che era più economico acquistare celle dai produttori giapponesi che crearne di proprie. Uscì dal business delle batterie agli ioni di litio e presto fu seguita da Duracell.

Così Chiang e i suoi colleghi della A123 hanno costruito un impianto di produzione a Changzhou, in Cina (vedi Una startup elettrizzante, maggio/giugno 2008) . La mossa non aveva lo scopo di esternalizzare la produzione, afferma Chiang, ma di acquisire il know-how di produzione necessario. Successivamente, A123 ha acquistato un produttore sudcoreano per iniziare a sviluppare le competenze necessarie per realizzare le celle piatte necessarie per le batterie delle auto elettriche. Quando A123 ha deciso che doveva essere più vicina ai suoi potenziali clienti automobilistici a Detroit, ha clonato lo stabilimento coreano a Livonia, nel Michigan, e lo stabilimento cinese a poche miglia di distanza a Romulus, aiutato da una sovvenzione di $ 249 milioni dal governo federale. Grazie a questa strategia, A123 è riuscita a diventare un importante produttore in un tempo straordinariamente breve, costruendo lo stabilimento di Livonia in poco più di un anno e lo stabilimento di Romulus in nove mesi.

La società è diventata presto una delle startup energetiche di più alto profilo della nazione e una delle poche ad aver potenziato la propria tecnologia, costruendo quello che sosteneva nel 2010 come il più grande impianto di batterie per auto agli ioni di litio del Nord America. Nel 2009 è diventato pubblico, raccogliendo circa 400 milioni di dollari. Ma sfortunatamente per coloro che sperano di emulare un tale successo, le circostanze politiche e finanziarie che hanno permesso ad A123 di raccogliere quasi 1 miliardo di dollari in investimenti pubblici e privati ​​sono scomparse da tempo.

Una delle lezioni di A123 è esattamente quanto è costato avere successo, afferma Chiang. E ci si chiede quante volte questo possa essere replicato. Nel clima attuale, ci si chiede se ci sia la volontà di farlo ancora e ancora. Nel settore delle biotecnologie, il percorso verso la commercializzazione è diventato chiaro nel corso degli anni: collaborare con grandi aziende farmaceutiche, raggiungere i traguardi previsti e sottoporsi al processo di approvazione normativa richiesto per i nuovi prodotti. Ma non è così semplice per le startup energetiche, afferma Chiang, la cui ultima startup, 24M, spera di sviluppare una tecnologia delle batterie radicalmente nuova. Quelle piccole aziende che sviluppano nuove tecnologie energetiche, dice, devono ancora capirlo.

SPORT DI SQUADRA

In questi giorni, lo stabilimento produttivo di tre anni di Evergreen Solar a Marlborough, nel Massachusetts, è vuoto con un grande cartello For Lease davanti. Il fallimento di Evergreen in agosto, e di Solyndra un mese dopo, ha prodotto molte strette di mano sul futuro dell'energia solare. In particolare, il crollo di Solyndra, un produttore con sede nella Silicon Valley che aveva ricevuto una garanzia di prestito di $ 535 milioni dal governo federale, ha portato a critiche sul ruolo che il governo ha svolto nel sostenere le energie rinnovabili e, in particolare, i suoi scarsi risultati nella scelta dei vincitori.

Il governo ha un record di sostegno ad alcuni famigerati fallimenti energetici. E aumentare le nuove tecnologie è, ovviamente, rischioso. Ma tali critiche hanno oscurato le lezioni probabilmente più interessanti che si possono trarre dai fallimenti: in molti modi, i fallimenti delle aziende sia nella strategia che nell'esecuzione sono stati fallimenti di produzione. I loro modelli di business dipendevano dall'utilizzo di tecnologie radicalmente nuove per abbattere i costi di produzione dei pannelli solari, ignorando l'ovvietà secondo cui le nuove tecnologie inizialmente non sono quasi mai più economiche dei processi esistenti ben ottimizzati. E nessuna delle due società aveva prodotti abbastanza innovativi da indurre la maggior parte dei clienti a pagare un prezzo premium. Evergreen e Solyndra hanno dovuto affrontare molti cambiamenti inaspettati del mercato, tra cui un improvviso calo dei prezzi del silicio e la sovrapproduzione di pannelli solari, ma la capacità delle aziende concorrenti di continuare a ridurre i costi di produzione per i pannelli solari più convenzionali non avrebbe dovuto essere una sorpresa (vedi La macchina solare cinese).

Ci sono altre lezioni di produzione da trarre dai crolli di queste due attività. L'innovazione di Evergreen ruotava attorno a un singolo passaggio del processo di produzione, un modo per rendere i wafer di silicio più economici. Tuttavia, l'azienda produceva e vendeva pannelli solari completi, di dimensioni diverse dallo standard del settore, costringendo i suoi clienti nella posizione indesiderabile di impegnarsi a lungo termine in una tecnologia specifica.

Allo stesso modo, Solyndra (uno dei BAMBINI 's 50 aziende più innovative nel 2010) hanno compiuto una serie di passi falsi nella produzione. In un deposito presso le autorità di regolamentazione del governo nel dicembre 2009, l'azienda ha riconosciuto che le nostre apparecchiature personalizzate potrebbero richiedere più tempo e costare di più per la progettazione e la costruzione del previsto e potrebbero non funzionare mai come richiesto per soddisfare i nostri piani di produzione. Tali parole di cautela sono spesso standard in questi documenti, ma in questo caso erano preveggenti. In particolare, Solyndra ha tentato di aumentare la sua capacità produttiva a un ritmo rapido, progettando un secondo impianto di produzione anche se stava ancora espandendo il primo e perdendo enormi quantità di denaro a causa dei suoi costi relativamente elevati. In retrospettiva, è ovvio che entrambe le aziende hanno ampliato la produzione troppo velocemente, con una comprensione troppo scarsa dei loro processi di produzione unici, della loro concorrenza o delle esigenze dei loro clienti.

Un modo per evitare tali errori è aumentare la collaborazione tra le aziende che sviluppano nuove tecnologie. La periferia di Albany non sarà mai confusa con la Silicon Valley, ma i nomi delle aziende del College of Nanoscale Science and Engineering sono familiari a chiunque nel settore dei semiconduttori: Intel, IBM, TSMC, Applied Materials e Tokyo Electron. L'idea è che le strutture condivise offrano ai produttori di chip, ai fornitori di apparecchiature e alle società di ingegneria l'opportunità di sviluppare e valutare i loro prodotti. L'anno scorso Sematech, il consorzio statunitense di società di semiconduttori, ha spostato le sue attività nel complesso da 12 miliardi di dollari. La sua più recente iniziativa: aiutare a rilanciare l'industria solare degli Stati Uniti nello stesso modo in cui ha aiutato l'industria dei semiconduttori a riguadagnare terreno negli anni '80 e '90.

Una delle lezioni del fallimento di Solyndra è che ha comportato scommettere su una tecnologia molto rischiosa e spendere centinaia di milioni in processi di produzione non provati, afferma Pradeep Haldar, che guida il nuovo Consorzio di produzione fotovoltaica ad Albany, una partnership tra Sematech e CNSE. Al contrario, afferma, i produttori di celle solari a film sottile possono utilizzare l'infrastruttura esistente presso lo stabilimento di Albany per ottenere un controllo della realtà, comprese le reazioni dei fornitori di materiali e dei potenziali clienti.

Questo approccio collaborativo è interessante anche per i grandi produttori come GE. L'innovazione è uno sport di squadra, dice Idelchik, ma troppo spesso negli Stati Uniti si cerca di farlo nel vuoto. Opportunità come quelle offerte dal centro nanotecnologico di Albany sono particolarmente importanti, secondo lui, perché i produttori sono in un periodo di transizione. La recessione mondiale iniziata nel 2008 ha lasciato le aziende con enormi quantità di sovraccapacità, ma i costi per i materiali e la manodopera hanno continuato ad aumentare insieme al tenore di vita in paesi come Cina e India. Ciò significa che non è più efficace cercare di ridurre i costi di produzione, ad esempio, inseguendo manodopera a basso prezzo. Per rimanere competitive, afferma Idelchik, le aziende devono passare alla produzione ad alto rischio e ad alto profitto di prodotti e materiali avanzati. Tuttavia, aggiunge, tale produzione ad alto rischio richiede un ecosistema di fornitori, produttori di apparecchiature e clienti.

Quell'ecosistema è essenzialmente ciò che Willy Shih di Harvard chiama i beni comuni industriali. Comunque sia descritto, è ciò che gli Stati Uniti hanno perso negli LCD e nella fotonica integrata, hanno quasi perso nelle batterie avanzate e stanno rapidamente perdendo nei pannelli solari al silicio. È ciò che A123 e Dow stanno cercando di aiutare a ricostruire per batterie avanzate nel Michigan, ciò che Sematech spera di avviare per i pannelli solari a film sottile e ciò che tutte le startup come Pellion, 24M e Alta Devices sperano di poter sfruttare e poi alla fine interrompere .

La sopravvivenza di tali startup dipenderà, ironia della sorte, molto dal fatto che i mercati che alla fine sperano di sostituire siano robusti e in crescita. Eppure i beni comuni industriali sono fragili e la loro sopravvivenza dipenderà sia dai mercati che dalle politiche del governo. La nascita della produzione di batterie avanzate nel Michigan è in gran parte il risultato del sostegno dell'amministrazione Obama. Se prospererà dipenderà da quante auto elettriche GM e altri saranno in grado di vendere e se il governo continuerà a fornire incentivi per l'industria nascente, compresi i finanziamenti per la ricerca. A lungo termine, la sua salute potrebbe benissimo dipendere da quanto sarà in grado di adottare nuove tecnologie veramente innovative dalle startup in fase iniziale. Le conseguenze si faranno sentire profondamente. Come ha dimostrato Shih, gli Stati Uniti hanno perso più volte i principali settori manifatturieri e le relative capacità di innovazione. E la sua lista delle tecnologie a rischio di oggi è lunga. Se le batterie avanzate, le tecnologie solari e la produzione di materiali avanzati diventano ancora più vittime, sicuramente danneggerà la capacità di inventare tecnologie future.

In questi giorni Yet-Ming Chiang sta trascorrendo almeno parte del suo frenetico programma tra gli angusti cubicoli di 24M, a cinque minuti di bicicletta dai suoi laboratori del MIT. Circa tre anni fa, mentre lavorava all'A123 per un anno sabbatico al MIT, Chiang ha iniziato a pensare a come potrebbe essere la prossima generazione di tecnologia delle batterie. Gran parte della spesa per la produzione di batterie agli ioni di litio è dovuta a vari componenti non attivi e al processo in più fasi di stratificazione di elettrodi e catodi. Le parti effettive che immagazzinano energia, gli elettrodi e l'elettrolita, rappresentano circa un quinto del costo totale. E se, si chiedeva, si potesse progettare una batteria che eliminasse gli ingredienti che non immagazzinano energia e il costoso assemblaggio di celle e moduli? Il risultato è la batteria a flusso che sta sviluppando 24M, in cui gli elettrodi circolano in forma semisolida. Un potenziale vantaggio di questo design è che la sua produzione potrebbe richiedere un'elevata intensità di capitale. Inoltre, afferma Chiang, è progettato per funzionare con la catena di fornitura e l'infrastruttura di produzione esistenti per le batterie agli ioni di litio.

Chiang afferma che la sua esperienza con A123 è stata fondamentale per elaborare il nuovo design della batteria. Il modo migliore per fare ricerca sulle batterie è avviare una società di batterie, dice. Essendo vicino alla produzione, riconosci ciò che può avere un impatto. È l'argomento per il motivo per cui la produzione è così importante in queste aree in via di sviluppo.

David Rotman è Revisione della tecnologia l'editore.

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