¿Podemos construir los avances del mañana?

La fabricación en Estados Unidos está en problemas. Esas son malas noticias no solo para la economía del país, sino también para el futuro de la innovación. Por

• David Rotman página de archivo

19 de diciembre de 2011

En un edificio similar a un hangar donde General Electric una vez ensambló turbinas de vapor, se está construyendo una instalación de fabricación de baterías de $ 100 millones para fabricar productos utilizando una química nunca antes comercializada a tan gran escala. Las baterías de haluro de sodio y metal que producirá han sido probadas y optimizadas durante los últimos años por un equipo de científicos e ingenieros de materiales en el extenso centro de investigación de GE a solo unas millas de distancia. Ahora, algunos de los mismos investigadores son responsables de reproducir esos resultados en una instalación de producción lo suficientemente grande como para albergar tres campos y medio de fútbol.

Los ingenieros se han mudado del bucólico centro de investigación, que se encuentra en una colina con vistas al río Mohawk, hasta el sitio de fabricación, que linda con el río en el borde de Schenectady, Nueva York, una ciudad de clase trabajadora conocida en su apogeo como Electricidad. Ciudad. Allí, supervisan la instalación y prueba de robótica, hornos de alta temperatura y equipos analíticos que monitorearán el proceso de producción. Las nuevas baterías utilizan una cerámica avanzada como electrolito dentro de una caja de metal sellada que contiene cloruro de níquel y sodio; la tecnología promete almacenar tres veces más energía que las baterías de plomo-ácido que se utilizan en los centros de datos, en los vehículos eléctricos pesados ​​y como energía de respaldo. Pero casi cualquier cosa puede salir mal. Si, por ejemplo, las partículas que componen la cerámica son de tamaño desigual o no se han secado correctamente, el rendimiento de la batería podría ser insuficiente. Eso significa que las condiciones en la enorme fábrica deben controlarse estrictamente y los dispositivos de varias toneladas deben poder coincidir con la exactitud del equipo de laboratorio. No es para los débiles de corazón, dice Michael Idelchik, vicepresidente de tecnologías avanzadas de GE.

Esta historia fue parte de nuestra edición de enero de 2012

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La planta de GE es una de varias instalaciones en todo el país que producen nuevas tecnologías para mercados de rápido crecimiento en baterías avanzadas, vehículos eléctricos y energía solar, pero esos esfuerzos no pueden contrarrestar la realidad de que el sector manufacturero de EE. UU. Está en problemas. Después de décadas de subcontratar la producción en un esfuerzo por reducir los costos, muchas grandes empresas han perdido la experiencia para las complejas tareas de ingeniería y diseño necesarias para escalar y producir las nuevas tecnologías más innovadoras de la actualidad, sin mencionar el apetito por los riesgos involucrados.

Al paso: Una parte clave del proceso de producción de baterías de GE es la fabricación de tubos de cerámica, que actúan como electrolito. Los tubos blancos se mueven por una línea de ensamblaje, donde se sellarán para completar el ensamblaje de cerámica que entra en la celda de la batería.

Si cree en la afirmación de Thomas Friedman de que el mundo es plano y que trasladar la fabricación a lugares donde la producción es barata hace que las empresas sean más competitivas, tal cambio podría no importar más allá de sus implicaciones para la economía estadounidense y sus trabajadores. Pero Estados Unidos sigue siendo la fuente más prolífica del mundo de nuevas tecnologías, en particular las basadas en materiales, y crece la evidencia de que sus capacidades de fabricación disminuidas podrían paralizar gravemente la innovación global. Hay muchas razones para creer que el modelo de la industria informática de EE. UU., Que ha subcontratado con éxito gran parte de su producción en las últimas décadas y ha hecho del diseño, no la fabricación, su prioridad, no funcionará eficazmente para las empresas que intentan comercializar innovaciones en energía. , materiales avanzados y otros sectores emergentes.

Los investigadores académicos han comenzado a documentar las complejas conexiones entre la innovación y la fabricación con miras a aclarar cómo la pérdida de la fabricación en los EE. UU. Podría afectar la aparición de nuevas tecnologías. Willy Shih, profesor de administración de la Escuela de Negocios de Harvard, ha creado una lista de tecnologías básicas en las que Estados Unidos ha desperdiciado su liderazgo en la fabricación en los últimos años. Incluyen obleas de silicio cristalino, LCD, semiconductores de potencia para células solares y muchos tipos de baterías avanzadas. Y ha detallado cómo perder los bienes comunes industriales — el conocimiento de investigación, las habilidades de ingeniería y la experiencia en fabricación necesarios para hacer una tecnología específica — a menudo puede significar perder el conocimiento y los incentivos para crear avances en tecnologías relacionadas. Por ejemplo, a medida que la producción de semiconductores de silicio y las cadenas de suministro asociadas se han trasladado a Asia, el desarrollo de nuevas células solares basadas en silicio se ha visto obstaculizado en los Estados Unidos.

Resulta que no es necesariamente cierto que las tecnologías innovadoras simplemente se fabricarán en otros lugares si no sucede en los Estados Unidos. Según una investigación de Erica Fuchs, profesora asistente de la Universidad Carnegie Mellon, el desarrollo de la fotónica integrada, en la que los láseres y moduladores se colocan en un solo chip, ha sido abandonado en gran medida por los fabricantes de optoelectrónicos, ya que han alejado la producción de Estados Unidos. . Muchas empresas de telecomunicaciones se vieron obligadas a buscar una producción de menor costo en el este de Asia después del colapso de la industria a principios de la década de 2000, y las diferencias en las prácticas de fabricación significaron que la producción de chips fotónicos integrados no era económicamente viable en esos países. Por lo tanto, se abandonó una tecnología que una vez pareció estar a solo unos años de revolucionar las computadoras e incluso los biosensores. Los economistas podrían argumentar que no nos importa dónde se produce algo, dice Fuchs, pero la ubicación puede afectar profundamente los productos que elijas fabricar y la trayectoria de la tecnología en sí.

Para muchas personas en la industria, las conexiones entre la innovación y la fabricación son un hecho y un motivo de preocupación. Hemos aprendido que sin un punto de apoyo en la fabricación, la capacidad de innovar se ve significativamente comprometida, dice Idelchik de GE. El problema con la subcontratación de la producción no es solo que eventualmente pierda su experiencia en ingeniería, sino que las empresas se vuelven dependientes de la innovación de otra persona para los productos de próxima generación. Una repercusión, dice, es que los investigadores e ingenieros pierden la comprensión del proceso de fabricación y lo que puede hacer: puedes diseñar lo que quieras, pero si nadie puede fabricarlo, ¿a quién le importa?

Estados Unidos sigue siendo la fuente más prolífica del mundo de nuevas tecnologías, en particular las basadas en materiales, y crece la evidencia de que sus capacidades de fabricación disminuidas podrían paralizar gravemente la innovación global.

Después de décadas como el mayor fabricante del mundo, Estados Unidos produce ahora, según algunas estimaciones recientes, el 19,4 por ciento de los productos manufacturados del mundo, en segundo lugar después de China, que produce el 19,8 por ciento. Incluso en productos de alta tecnología, Estados Unidos ahora importa más de lo que produce. Esas estadísticas tienen implicaciones para el empleo, la competitividad nacional e incluso la política y la estructura social del país. Pero igualmente preocupante, especialmente a largo plazo, es lo que implica la disminución de la capacidad de Estados Unidos para fabricar cosas para la próxima generación de tecnología. ¿Puede Estados Unidos recuperar su capacidad para asumir la fabricación de alto riesgo? Para hacer la misma pregunta de una manera diferente, ¿están muchas de las innovaciones más prometedoras de hoy en peligro de sufrir el mismo destino que los chips fotónicos integrados? ¿Puede Estados Unidos recuperar su capacidad para asumir la fabricación de alto riesgo? Para hacer la misma pregunta de una manera diferente, ¿están muchas de las innovaciones más prometedoras de hoy en peligro de sufrir el mismo destino que los chips fotónicos integrados?

Ciudad del motor eléctrico

A la ciudad de Detroit, que durante décadas fue el centro de la fabricación de automóviles en Estados Unidos, le gusta promocionar sus esfuerzos en la renovación urbana. Un moderno estadio de béisbol se encuentra a las afueras del centro de la ciudad; un bullicioso distrito de teatros está cerca. Sin embargo, los rascacielos vacíos y destruidos se encuentran a poca distancia de las brillantes torres de vidrio de la sede de General Motors y de los nuevos condominios que se elevan sobre la ribera de la ciudad. Y en las afueras de la ciudad, en áreas divididas en dos por carreteras con nombres como Chrysler Freeway y Edsel Ford Freeway, la devastación es aún más evidente en los aparentemente interminables tramos de edificios industriales abandonados. Alrededor del 22 por ciento de los empleos en Michigan todavía están vinculados a la fabricación de automóviles, y una década de quiebras y caída de las ventas entre los fabricantes de automóviles de Detroit ha dejado a la región tambaleándose. Casi medio millón de puestos de trabajo se han perdido en el sureste de Michigan desde 2000.

Sin embargo, en medio de las ruinas, la planta de ensamblaje de GM Detroit Hamtramck es un oasis de orden y actividad. Aunque su estacionamiento está lleno a menos de la mitad en un día a principios del otoño, la enorme planta, construida a mediados de la década de 1980 para fabricar Cadillacs y Buicks, encarna el intento de Detroit de reinventarse. Frente a él se ha instalado un campo de paneles solares; en el borde del estacionamiento de visitantes hay una hilera de garajes equipados con enchufes eléctricos.

Dentro de la planta, los Cadillacs y Buicks han sido reemplazados en la línea de ensamblaje por el Chevrolet Volt, el automóvil eléctrico presentado recientemente por GM, y su homólogo europeo, el Opel Ampera. Los vehículos eléctricos ocupan casi todos los demás espacios disponibles en la línea de producción, pero GM espera aumentar la producción a 60.000 coches eléctricos para el próximo año. Como cualquier planta de fabricación de automóviles moderna, la instalación de Detroit Hamtramck es un torbellino de robótica y piezas grandes que se mueven deliberadamente a lo largo de líneas de montaje que se fusionan en puntos críticos; en una de esas intersecciones, el marco de acero pintado se deja caer lentamente sobre el chasis y el motor. Las llaves neumáticas automatizadas perforan el relativo silencio mientras aplican un par de torsión preciso para atornillar las piezas.

Cerca del centro de toda la actividad, sentadas solas, están las baterías de iones de litio en forma de T que son el corazón del nuevo automóvil y una fuente de esperanza económica para gran parte de Michigan. El paquete de baterías de 435 libras es una gran mejora con respecto a las enormes baterías de plomo-ácido de 1,100 libras que se usan en la desafortunada primera generación de autos eléctricos que GM fabricó en la década de 1990. Las baterías nuevas más pequeñas y ligeras son mucho más fáciles de acomodar en un automóvil compacto como el Volt, y la nueva química mejora el rendimiento del vehículo.

Cada paquete de baterías contiene unas 288 celdas, cada una de las cuales contiene una serie de láminas delgadas de ánodos y cátodos que se combinan con precisión. Si GM produce 60.000 voltios el próximo año, esos coches consumirían fácilmente la producción de varias plantas de fabricación de baterías enormes. Pero si el mercado de los automóviles eléctricos despega repentinamente, por ejemplo, debido a baterías más baratas o más eficientes, la necesidad podría ser mucho mayor. Se ha estimado que si los autos eléctricos representaran una décima parte de las ventas de automóviles en Estados Unidos, se necesitarían 43 grandes fábricas de baterías para abastecer a los fabricantes de automóviles.

El apetito potencial por las baterías entre GM y otros fabricantes de automóviles ha llevado a la construcción de al menos media docena de plantas de fabricación y ensamblaje en un radio de 200 millas alrededor de Detroit. Estimulado en parte por los $ 2.4 mil millones en fondos de la administración Obama para la producción de baterías avanzadas y vehículos eléctricos, este desarrollo presenta una visión de cómo podría ser una recuperación en la base de fabricación de la región. También presenta una instantánea del enorme desafío que implica la creación de dicha infraestructura.

Aproximadamente a 125 millas al norte de la planta de ensamblaje de Detroit Hamtramck se encuentra una de las instalaciones de baterías nuevas más grandes. Dow Kokam, una empresa conjunta de Dow Chemical, TK Advanced Battery y la empresa francesa Groupe Industriel Marcel Dassault, está construyendo una fábrica de 322 millones de dólares en Midland, Michigan, que podrá producir suficientes celdas de batería de iones de litio para unas 30.000 baterías eléctricas. coches. Aunque la construcción está en curso y gran parte del equipo aún se está instalando, un recorrido rápido da una idea del tamaño y la complejidad de la operación. En una gran sala de techos altos hay una gran cantidad de bastidores automatizados donde se formará cada celda de la batería, una operación crítica en la que la batería se carga y descarga para establecer con precisión la química.

Es este tipo de escala y atención al detalle lo que atrae el interés de empresas como Dow, el segundo productor químico más grande del mundo. La planta se encuentra justo fuera de los límites de las operaciones químicas de Dow en Michigan, una pequeña ciudad de edificios de producción de poca altura conectados por un laberinto de tuberías aéreas entrecruzadas. Es un testimonio extenso de las conexiones entre varios ingredientes y materias primas que se utilizan en la fabricación de productos industriales, y de las eficiencias de escala que a menudo se requieren en la fabricación.

La cadena de suministro para la fabricación de baterías de iones de litio comienza en lo más profundo del complejo químico. En algún lugar de una de las calles que atraviesan la planta hay un edificio anodino donde los trabajadores alguna vez fabricaban productos químicos utilizados en plásticos. Ahora Dow lo está convirtiendo en una instalación de producción para los materiales de cátodo y ánodo necesarios en las baterías de iones de litio. Cualquiera que ingrese debe ponerse una bata blanca, envolver los zapatos en papel y someterse a una ducha con rociador de aire diseñada para eliminar el polvo y las partículas sueltas. En el interior, los polvos para los cátodos y ánodos se procesan en grandes contenedores diseñados para minimizar la contaminación. Los materiales se enviarán a una de las plantas de baterías que se están construyendo; aunque la planta cercana de Dow Kokam no está obligada a comprar los ánodos y cátodos de su empresa matriz, sería algo natural.

Subiendo la temperatura: El calcinador, que se muestra, es fundamental en la fabricación de polvos para la cerámica.

Al igual que Idelchik de GE, el director de tecnología de Dow, William Banholzer, reconoce los riesgos de ampliar las nuevas tecnologías. Pero dice que el tamaño y los bolsillos profundos de Dow le permiten asumir riesgos que serían difíciles para las pequeñas empresas emergentes, y su amplia infraestructura le permite integrar de manera eficiente los diversos aspectos del proceso de fabricación. El tamaño de Dow también le permitió cubrir sus apuestas en las baterías al ingresar a otros nuevos mercados energéticos. En el lado opuesto del vasto complejo de fabricación de la planta de Dow Kokam, se está construyendo una instalación de fabricación solar, que fabricará tejas para techos que incorporan energía fotovoltaica de película delgada. La escala de la energía es tan grande que es muy difícil decir que la energía la resolverán las pequeñas empresas, dice Banholzer. No es hasta que realmente ha comenzado a fabricar que puede ver sus verdaderos costos y verrugas, dice. En los negocios de energía donde una planta de demostración podría costar $ 500 millones, el modelo de capital de riesgo se rompe, agrega. La gran pregunta es: ¿pueden las pequeñas empresas competir alguna vez con las grandes en esta área?

INSTINTOS DE SUPERVIVENCIA

Es una pregunta que aborda uno de los desafíos clave involucrados en la reactivación del sector manufacturero. Banholzer seguramente tiene razón en que las nuevas empresas no pueden competir con la capacidad de producción de un Dow o GE. Pero también es cierto que las pequeñas empresas están trabajando en algunas de nuestras tecnologías más prometedoras, especialmente en la intersección de nuevos materiales y energía. Si esas tecnologías se pueden producir económicamente, podrían expandir enormemente los mercados existentes. El desafío para las nuevas empresas, entonces, es encontrar una manera de hacer que sus tecnologías utilicen el conocimiento de fabricación actual mientras desarrollan productos que sean lo suficientemente radicales como para interrumpir las tecnologías establecidas.

Ann Marie Sastry claramente cree que su startup puede hacer precisamente eso. Ubicado en un pequeño parque industrial en Ann Arbor, Michigan, Sakti3 está trabajando en una tecnología de próxima generación para baterías de estado sólido (ver TR10, Mayo / junio de 2011) . El área de fabricación en la parte trasera de las oficinas está estrictamente fuera del alcance de los visitantes, al igual que las cámaras y las preguntas durante un recorrido rápido por las áreas de prueba y diseño; El director ejecutivo Sastry revelará algunos detalles sobre la tecnología, excepto para decir que la batería no tiene electrolitos líquidos y que la compañía está utilizando equipos de fabricación que alguna vez se emplearon para fabricar bolsas de papas fritas. Pero ella es más comunicativa al explicar cómo la startup puede prosperar en el sector altamente competitivo de baterías avanzadas.

La estrategia comienza con el reconocimiento de que cualquier nueva tecnología debe prometer ventajas mucho más allá de lo que es posible con los productos existentes. Si comienza con la tecnología [de iones de litio] actual, dice, puede obtener cinco, 10 o 20 puntos de rendimiento al ajustar ese proceso, pero debe aceptar que nunca obtendrá nada transformador. Pero duplicar la densidad de energía de las baterías podría tener un impacto enorme en la alimentación de los dispositivos de comunicación, dice, especialmente en áreas con poco acceso a la electricidad para la carga frecuente. El transporte podría verse afectado aún más profundamente. Las baterías nuevas con una mayor densidad de energía y un costo significativamente menor podrían elevar la demanda de vehículos eléctricos a un nivel completamente nuevo, dice ella.

Entonces ella y sus colegas comenzaron con la tabla periódica para inventar una nueva batería. Desde el principio, la empresa supo que la tecnología tenía que escalar. No llevamos una hoja de papel en blanco a la fabricación, dice. Comenzamos con un análisis de los enfoques de fabricación que se habían escalado y se podían escalar.

Buscar en la tabla periódica los materiales que podrían cambiar la tecnología actual es una estrategia frecuente en estos días para las empresas emergentes de energía en etapas tempranas. Gerbrand Ceder, científico de materiales del MIT, inició un proyecto de genoma de materiales hace varios años que utiliza computadoras para analizar y predecir las propiedades de los materiales en el universo químico conocido y espera crear una base de datos abierta de la información. (Después de que la Casa Blanca anunció su Iniciativa de Genoma de Materiales, acordó cambiar el nombre de su esfuerzo por Proyecto de Materiales para evitar confusiones). Un objetivo principal es identificar de manera más eficiente los materiales que son adecuados para la fabricación.

Ceder ha analizado sistemáticamente varios compuestos por su potencial como materiales de batería. Utilizando las herramientas computacionales desarrolladas por su proyecto de genoma de materiales, Pellion, una startup en Cambridge, Massachusetts, que él cofundó en 2009, ha identificado nuevos cátodos para una batería a base de magnesio. Si funciona, dice Ceder, las baterías podrían tener el doble o el triple de la densidad de energía de las baterías de iones de litio actuales. Igualmente importante, dice, podrían incorporarse a la fabricación de baterías de iones de litio existentes. Y eso es fundamental, dice, porque si tiene que inventar un nuevo material que pueda reemplazar al existente, puede llevar de cinco a diez años, pero si también tiene que inventar un nuevo diseño, puede llevar de diez a veinte años.

Otras empresas emergentes de energía prometedoras en una etapa temprana se basan en los esfuerzos para eludir las limitaciones de fabricación conocidas. Por ejemplo, Alta Devices, una empresa de Santa Clara, California, entre cuyos fundadores se encuentran destacados investigadores de Caltech y la Universidad de California en Berkeley, está desarrollando una forma de fabricar células fotovoltaicas utilizando películas de arseniuro de galio de solo un micrómetro de espesor. El arseniuro de galio, que se usa ampliamente como ingrediente en láseres y otros dispositivos fotónicos, tiene excelentes propiedades ópticas pero es demasiado caro para la mayoría de las células solares. Sin embargo, la nueva tecnología utiliza tan poco material que su precio ya no es prohibitivo. Alta Devices ha pasado los últimos años perfeccionando el proceso de producción; Ha comenzado una línea piloto para fabricar los materiales fotovoltaicos el próximo año y espera comenzar la producción comercial en 2013.

A medida que los riesgos y el costo de ampliar las tecnologías energéticas se vuelven cada vez más evidentes, es común que las nuevas empresas consideren los aspectos prácticos de la fabricación cuando conciben sus innovaciones. Pero, ¿cómo una empresa pequeña, incluso con un material radicalmente diferente, espera tener éxito en los mercados de baterías y energía solar altamente competitivos que requieren grandes inversiones de capital? Asociarse con una gran empresa es una estrategia obvia. Alta Devices, por ejemplo, está trabajando con Dow en materiales de próxima generación para las tejas solares de la empresa química; GM es un inversor en Sakti3. Aún así, las empresas emergentes de energía enfrentan la abrumadora verdad de que ampliar las innovaciones para convertirlas en operaciones de fabricación exitosas puede requerir cientos de millones de dólares.

Sin embargo, existe al menos un ejemplo reciente de éxito.

Hambrientos de poder: La fábrica de baterías de GE cubre un espacio del tamaño de tres campos y medio de fútbol e incluye equipos que consumen mucha energía, como hornos grandes. El equipo eléctrico de la derecha suministra energía a la inmensa fábrica.

CURVA DE APRENDIZAJE

Cuando Yet-Ming Chiang cofundó A123 Systems en 2001 sobre la base de su investigación del MIT sobre materiales de baterías, no había fabricación avanzada de baterías en los Estados Unidos. Aunque gran parte del trabajo científico que condujo a la invención de las baterías de iones de litio se había realizado en este país, incluidos los avances logrados en la Universidad de Texas, fue Sony quien comercializó las baterías en 1991. Posteriormente, los fabricantes de Corea y China fabricaron importantes inversiones en la tecnología. Con cuatro veces la capacidad de energía de las baterías de níquel-cadmio y el doble de las de hidruro metálico de níquel más nuevas, las baterías de iones de litio se convirtieron en la tecnología dominante en los dispositivos de consumo, lo que hace posible los teléfonos móviles y portátiles pequeños y potentes de la actualidad.

Mientras tanto, los dos principales productores de baterías de EE. UU., Duracell y Eveready (ahora llamado Energizer), intentaron desarrollar sus propios productos de iones de litio durante la década de 1990. Eveready llegó a construir una fábrica en Gainesville, Florida, pero incluso cuando la planta se preparaba para la producción comercial, el precio de las baterías de iones de litio bajó y la compañía decidió que era más barato comprar celdas de productores japoneses que fabricar las suyas propias. Salió del negocio de las baterías de iones de litio y Duracell pronto lo siguió.

Entonces, Chiang y sus colegas en A123 construyeron una planta de fabricación en Changzhou, China (ver An Electrifying Startup, mayo / junio de 2008) . La medida no estaba destinada a subcontratar la producción, dice Chiang, sino a adquirir los conocimientos técnicos de fabricación necesarios. Posteriormente, A123 compró a un fabricante surcoreano como una forma de comenzar a desarrollar la experiencia que necesitaba para fabricar las celdas planas necesarias para las baterías de automóviles eléctricos. Cuando A123 decidió que necesitaba estar más cerca de sus potenciales clientes automotrices en Detroit, clonó la planta coreana en Livonia, Michigan, y la fábrica china a unas pocas millas de distancia en Romulus, con la ayuda de una subvención de 249 millones de dólares del gobierno federal. Como resultado de esta estrategia, A123 pudo convertirse en un importante fabricante en un tiempo notablemente corto, construyendo la planta de Livonia en poco más de un año y la planta de Romulus en nueve meses.

La compañía pronto se convirtió en una de las empresas emergentes de energía de más alto perfil del país, y una de las pocas que ha ampliado su tecnología, construyendo lo que afirmó en 2010 era la planta de baterías automotrices de iones de litio más grande de América del Norte. En 2009 se hizo público, recaudando alrededor de $ 400 millones. Pero desafortunadamente para aquellos que esperan emular tal éxito, las circunstancias políticas y financieras que permitieron a A123 recolectar casi $ 1 mil millones en inversiones públicas y privadas se han ido.

Una de las lecciones de A123 es exactamente cuánto cuesta tener éxito, dice Chiang. Y uno se pregunta con qué frecuencia se puede replicar. En el clima actual, uno se pregunta si existe la voluntad de hacer esto una y otra vez. En la industria de la biotecnología, el camino hacia la comercialización se ha vuelto claro a lo largo de los años: asociarse con grandes compañías farmacéuticas, cumplir los hitos esperados y someterse al proceso de aprobación regulatoria requerido para nuevos productos. Pero no es tan simple para las empresas emergentes de energía, dice Chiang, cuya última puesta en marcha, 24M, espera desarrollar una tecnología de baterías radicalmente nueva. Esas pequeñas empresas que desarrollan nuevas tecnologías energéticas, dice, todavía tienen que resolverlo.

DEPORTES DE EQUIPO

En estos días, la planta de fabricación de Evergreen Solar con tres años de antigüedad en Marlborough, Massachusetts, está vacía con un gran letrero de alquiler en el frente. La quiebra de Evergreen en agosto, y de Solyndra un mes después, produjo muchos lamentos sobre el futuro de la energía solar. En particular, el colapso de Solyndra, un fabricante con sede en Silicon Valley que había recibido una garantía de préstamo de 535 millones de dólares del gobierno federal, ha generado críticas sobre el papel que ha desempeñado el gobierno en el apoyo a las energías renovables y, en particular, su pobre historial. en la elección de los ganadores.

El gobierno tiene un historial de respaldar algunas fallas de energía notorias. Y ampliar las nuevas tecnologías es, por supuesto, riesgoso. Pero tales críticas han eclipsado las lecciones posiblemente más interesantes que se pueden extraer de las quiebras: en muchos sentidos, las fallas de estrategia y ejecución de las empresas fueron fallas de fabricación. Sus modelos comerciales dependían del uso de tecnologías radicalmente nuevas para reducir el costo de fabricación de paneles solares, ignorando la obviedad de que las nuevas tecnologías inicialmente casi nunca son más baratas que los procesos existentes bien optimizados. Y ninguna empresa tenía productos lo suficientemente innovadores como para inducir a la mayoría de los clientes a pagar un precio superior. Evergreen y Solyndra se enfrentaron a muchos cambios inesperados en el mercado, entre ellos una caída repentina de los precios del silicio y la sobreproducción de paneles solares, pero la capacidad de las empresas competidoras para seguir reduciendo sus costos de fabricación de paneles solares más convencionales no debería haber sido una sorpresa. (ver La máquina solar china).

Hay otras lecciones de fabricación que se pueden aprender del colapso de estas dos empresas. La innovación de Evergreen giraba en torno a un solo paso en el proceso de producción: una forma de hacer obleas de silicio de forma más económica. Sin embargo, la empresa fabricaba y vendía paneles solares completos, y eran de un tamaño diferente al estándar de la industria, lo que obligaba a sus clientes a la indeseable posición de comprometerse a largo plazo con una tecnología específica.

Asimismo, Solyndra (uno de NIÑOS 50 empresas más innovadoras en 2010) cometieron una serie de errores de fabricación. En una presentación ante los reguladores del gobierno en diciembre de 2009, la compañía reconoció que nuestro equipo hecho a la medida puede llevar más tiempo y costar más de diseñar y construir de lo esperado y puede que nunca opere como se requiere para cumplir con nuestros planes de producción. Estas palabras de precaución suelen ser repetitivas en estas presentaciones, pero en este caso fueron proféticas. En particular, Solyndra intentó desarrollar su capacidad de fabricación a un ritmo rápido, planificando una segunda planta de producción incluso cuando todavía estaba ampliando la primera, y perdiendo grandes cantidades de dinero debido a sus costos relativamente altos. En retrospectiva, es obvio que ambas empresas expandieron la fabricación demasiado rápido, con muy poca comprensión de sus procesos de producción únicos, su competencia o los requisitos de sus clientes.

Una forma de evitar estos errores es aumentar la colaboración entre las empresas que desarrollan nuevas tecnologías. Las afueras de Albany nunca se confundirán con Silicon Valley, pero los nombres de las empresas de la Facultad de Ciencias e Ingeniería a Nanoescala son familiares para cualquiera en la industria de los semiconductores: Intel, IBM, TSMC, Applied Materials y Tokyo Electron. La idea es que las instalaciones compartidas brinden una oportunidad para que los fabricantes de chips, los proveedores de equipos y las empresas de ingeniería desarrollen y evalúen sus productos. El año pasado, Sematech, el consorcio estadounidense de empresas de semiconductores, trasladó sus operaciones al complejo de 12.000 millones de dólares. Su iniciativa más reciente: ayudar a revivir la industria solar de EE. UU. De la misma manera que ayudó a la industria de semiconductores a recuperar su equilibrio en las décadas de 1980 y 1990.

Una de las lecciones del fracaso de Solyndra es que implicó apostar por una tecnología muy arriesgada y gastar cientos de millones en procesos de producción no probados, dice Pradeep Haldar, quien lidera el nuevo Consorcio de Fabricación Fotovoltaica en Albany, una asociación entre Sematech y CNSE. Por el contrario, dice, los fabricantes de células solares de película delgada pueden utilizar la infraestructura existente en las instalaciones de Albany para comprobar la realidad, incluidas las reacciones de los proveedores de materiales y los clientes potenciales.

Este enfoque colaborativo es atractivo incluso para grandes fabricantes como GE. La innovación es un deporte de equipo, dice Idelchik, pero con demasiada frecuencia en Estados Unidos intentamos hacerlo en el vacío. Oportunidades como las que se ofrecen en el centro de nanotecnología de Albany son particularmente importantes, cree, porque los fabricantes se encuentran en un período de transición. La recesión mundial que comenzó en 2008 dejó a las empresas con grandes cantidades de exceso de capacidad, pero los costos de materiales y mano de obra han seguido aumentando junto con el nivel de vida en países como China e India. Esto significa que ya no es efectivo tratar de reducir los costos de fabricación, por ejemplo, persiguiendo mano de obra de menor precio. Para seguir siendo competitivas, dice Idelchik, las empresas deben pasar a la fabricación de productos y materiales avanzados de alto riesgo y rentabilidad. Sin embargo, agrega, una fabricación de alto riesgo requiere un ecosistema de proveedores, fabricantes de equipos y clientes.

Ese ecosistema es esencialmente lo que Willy Shih de Harvard llama los bienes comunes industriales. Independientemente de cómo se describa, es lo que Estados Unidos ha perdido en LCD y fotónica integrada, casi lo ha perdido en baterías avanzadas y lo está perdiendo rápidamente en paneles solares de silicio. Es lo que A123 y Dow están tratando de ayudar a reconstruir para baterías avanzadas en Michigan, lo que Sematech espera iniciar para los paneles solares de película delgada y lo que empresas emergentes como Pellion, 24M y Alta Devices esperan poder aprovechar y luego finalmente interrumpir .

Irónicamente, la supervivencia de estas nuevas empresas dependerá en gran medida de si los mercados que, en última instancia, esperan reemplazar son sólidos y en crecimiento. Sin embargo, los bienes comunes industriales son frágiles y su supervivencia dependerá tanto de los mercados como de las políticas gubernamentales. El nacimiento de la fabricación de baterías avanzadas en Michigan es en gran parte resultado del apoyo de la administración Obama. Si prospera dependerá de cuántos coches eléctricos puedan vender GM y otros y si el gobierno sigue ofreciendo incentivos para la industria incipiente, incluida la financiación para la investigación. A largo plazo, su salud puede depender muy bien de qué tan bien sea capaz de adoptar nuevas tecnologías verdaderamente innovadoras desde las primeras etapas de la puesta en marcha. Las consecuencias se sentirán profundamente. Como ha demostrado Shih, Estados Unidos ha perdido sectores de fabricación clave y habilidades de innovación relacionadas varias veces. Y su lista de tecnologías en riesgo de hoy es larga. Si las baterías avanzadas, las tecnologías solares y la fabricación de materiales avanzados se vuelven aún más víctimas, seguramente dañará la capacidad de inventar tecnologías futuras.

En estos días, Yet-Ming Chiang pasa al menos parte de su agitada agenda entre los abarrotados cubículos de 24M, a cinco minutos en bicicleta de sus laboratorios del MIT. Hace unos tres años, mientras trabajaba en A123 en un año sabático del MIT, Chiang comenzó a pensar en cómo sería la próxima generación de tecnología de baterías. Gran parte del gasto de fabricación de baterías de iones de litio se debe a varios componentes no activos y al proceso de varios pasos de superposición de electrodos y cátodos. Las partes reales que almacenan energía, los electrodos y el electrolito, representan aproximadamente una quinta parte del costo total. ¿Qué pasaría si, se preguntó, pudieras diseñar una batería que eliminara los ingredientes que no almacenan energía y el costoso ensamblaje de la celda y el módulo? El resultado es la batería de flujo que está desarrollando 24M, en la que los electrodos circulan de forma semisólida. Un beneficio potencial de este diseño es que su fabricación podría requerir mucho menos capital. Además, dice Chiang, está diseñado para funcionar con la cadena de suministro existente y la infraestructura de fabricación de baterías de iones de litio.

Chiang dice que su experiencia con A123 fue fundamental para crear el nuevo diseño de batería. La mejor manera de investigar las baterías es haber creado una empresa de baterías, dice. Al estar cerca de la fabricación, reconoce lo que puede tener un impacto. Es el argumento de por qué la fabricación es tan importante en estas áreas en desarrollo.

David Rotman es Revisión de tecnología Editor.

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