2015-11-11

Grafen – strategiskt forskningsområde i Kina

Tillväxtanalys deltog 30 oktober i GrapChina 2015, en internationell konferens för forskning och utveckling av grafen med runt 1 600 deltagare. Tillväxtanalys höll ett kort anförande om betydelsen av forskningssamarbete inom materialutveckling mellan Kina och Sverige. Denna rapport sammanfattar konferensen och visar att Sverige riskerar förlora spetsforskning inom området grafen.

När grafen upptäcktes av Andre Geim och Konstantin Novoselov år 2003 ansågs man stå inför en revolution inom materialutveckling. Grafen uppvisade fantastiska egenskaper; det hitintills tunnaste material som utvecklats, mycket hög ledningsförmåga av elektricitet och värme, flexibilitet, genomskinlighet och samtidigt tvåhundra gånger starkare än stål. Media förutspådde så kallade scifi-innovationer, såsom hissar ut i rymden och bilar med intelligenta och interaktiva ytskikt. Drygt tio år efter upptäckten har entusiasmen svalnat och materialutvecklare fortsätter att söka efter rätt användningsområde för kommersialisering av grafen.

Samtidigt har Kina lyft fram forskning och utveckling av grafen som en del av landets strategi för att etablera sig som ledande high-tech nation. I Kinas 12 femårsplan (2011-2015) identifierades nya material som en av sju strategiska industrier, vilket i sin tur har bidragit till ökad forskning inom nanoteknik. År 2015 visade en undersökning av Storbritanniens National Physical Laboratory att Kina står för 47 procent av globala patentansökningar och publikationer inom grafen och kolnanorör.[1]

Ett stort antal kinesiska företag är idag verksamma inom tillverkning av grafen, utveckling av kompositer och där stor vikt läggs vid framtagning av nya användningsområden.[2] Hög konkurrens och storskalig produktion har också bidragit till ett snabbt prisfall på grafen; produktionskostnaden av grafen har sjunkit från runt 20,000 SEK per kilo för ett par år sedan till runt 300 SEK per kilo idag.

Ett problem är att det saknas en enhetlig standard vilket gjort att kvaliteten varierar kraftigt. Det stora antalet företag i Kina kan också vara tecken på överkapacitet inom branschen och det är troligt att flera av de mindre tillverkarna kan komma att försvinna, något som i sin tur kan leda till en återgång mot högre priser. Exempel på kinesiska multinationella företag som uppmärksammat grafen är Huawei (telekom) och Haier (hemelektronik). Huawei planerar att investera uppemot nio miljarder SEK miljarder i utveckling av kommunikationsteknologi de närmaste åren, varav en stor del riktas mot utveckling av grafenapplikationer i samarbete med Manchester University.[3] Företaget söker efter materialutvecklare som kan använda grafenkompositer i nya, tåliga ytskick eller till böjbara mobilskärmar. Haier efterfrågar utveckling av grafenkompositer som kan användas för bättre nedkylnings- och uppvärmningsfunktioner i kylskåp och system för luftkonditionering.

Ett antal stora svenska företag som överväger att använda grafenapplikationer till att förbättra befintliga produkter eller tillverkningsprocesser deltog också i GrapChina 2015. Sandvik använder redan grafen i tillverkning av syntetiska diamanter och har etablerat forskningscentra i Kina för detta syfte. Ett alternativ som har övervägts är utveckling av ytskick av grafen på precisionsverktyg vilket skulle kunna förbättra redskapens hållbarhet och rostskydd. National Electric Vehicles Sweden (övertog SAAB Automobil) har inlett ett forskningssamarbete med flera kinesiska aktörer, däribland Tianjin City Hi-Tech Area, SRIT, Teamsun och Bank of China, och etablerat forskningscentra i Tianjin. Här utvecklas en ny modell av elbilar där grafen skulle kunna vara del av lösningen för att höja effektiviteten på bilbatterier.

Innovation och kommersialisering

Ett område där grafen tros ligga mycket nära kommersialisering är optoelektronik. Grafen används idag i utveckling av böjbara pekskärmar och beräknas inom en nära framtid nå ut på marknaden. Grafen förväntas även ta över silikon som det främsta materialet för tillverkning av chip mm. Några av de utmaningar som kvarstår är anpassning av materialet till andra systemkomponenter.

Tillverkning av grafenprodukter genom skrivare och 3D-skrivare förväntas snart kunna producera exempelvis sensorer. Inom life science är förhoppningen att grafen ska kunna användas i tillverkning av biosensorer eller vävnadsteknik. Ett annat mycket lovande område där Kina satsar stora resurser är energiförvaring, där möjligheten att använda grafen för att höja effektiviteten hos PV-celler och (litium)batterier anses betydande. Många företag experimenterar med blandningar av nya grafenkompositer som potentiellt skulle kunna användas som byggnadsmaterial, inom fordonsindustrin eller som olika typer av reningsfilter.

Trots att produktion av grafen på industriell nivå existerar redan idag återstår troligtvis en lång och mödosam produktutveckling innan materialet når en bredare marknad. Andrea Ferrari, professor vid Cambridge University, menar att tidsramen för kommersialisering av granfenbaserad teknologi kan uppskattas genom att jämföra med kommersialiseringen av det syntetiska materialet diamantliknande kol (DLC). Från det att DLC upptäcktes tog det nästan tjugo år innan tillverkning startades i större skala och började användas inom industrin. Motsvarande tidsperspektiv kan gälla för grafen.

Banbrytande forskning försvinner från Sverige

Sverige ligger långt fram i utvecklingen av grafen och särskilt Chalmers Tekniska Högskola anses ligga i framkant internationellt. Dessvärre kan detta vara på väg att ändras. I samband med att Kinas president, Xi Jinping, besökte Storbritannien i oktober 2015 undertecknades ett avtal om forskning och utveckling av grafen med Manchester Universitetet. En kinesisk delegation hade tidigare besökt Chalmers för att diskutera förutsättningarna till samarbete men Kina valde alltså sedan att samarbeta med Storbritannien. Avtalet innebär stora fördelar för Manchester Universitetet, inte minst genom tillgång till omfattande forskningsstöd från kinesiska staten.

Det här är ett exempel på hur Storbritannien går in med full kraft inom ett strategiskt forskningsområde och etablerar sig som ledande aktör på den globala arenan. Genom etableringen av Newton Fund, en fond baserad på £375 million (nästan fem miljarder SEK), stödjer den brittiska regeringen internationella samarbeten inom vetenskap och innovation. Av detta kommer ungefär en tredjedel att fördelas till forskningssamarbete mellan Storbritannien och Kina de kommande fem åren. Representanter från Chalmers menar att Sveriges möjligheter att behålla sin tätposition inom forskning och utveckling av grafen riskerar gå förlorad som ett resultat av detta. Detta påverkar negativt regeringens ambition att etablera Sverige som en av världens tio främsta nationer inom forskning och utveckling av grafen fram till år 2030. 

Den här utvecklingen bidrar också till att svenska företag verksamma inom forskning och utveckling av grafen riskerar hamna i underläge i jämförelse med brittiska och kinesiska företag. Ett antal mindre svenska företag som deltog i GrapChina 2015, till exempel Smart High-Tech och APR Technologies, presenterade sin forskning kring nya grafenkompositer med användningsområden inom kylning- och uppvärmningssystem (bl a för ersättning av aluminium och koppar). Konkurrensen med kinesiska företag beskrivs som mycket hård. Det stora antalet kinesiska företag med fördelaktig tillgång till både finansiella resurser och politiskt stöd gör att de små svenska företagen har svårt att hävda sig på marknaden.

Viktigt för Sverige att vara en bra samarbetspartner

Sverige är ett litet land med begränsade resurser och satsningar inom avancerad forskning kan kvantitativt sett inte mäta sig med Kinas. Detta ställer i sin tur mycket höga krav på att befintliga resurser användas på ett väl genomtänkt och strategiskt riktigt sätt för att på så vis göra Sverige attraktiv som partner även fortsättningsvis. Ett ökat fokus på samarbete med Kina kan utgöra en sådan prioritering. Exemplet ovan med forskning och utveckling av grafen visar samtidigt på svårigheten att snabbt svara upp mot de behov som finns, samt att Sverige riskerar förlora både position och initiativ inom ett internationellt prioriterat forskningsområde trots goda förutsättningar för en globalt ledande roll. En utveckling där avancerad forskning lämnar Sverige innebär i förlängningen att – i det här fallet Kina – etablerar samarbeten med andra länder framför Sverige. Tillväxtanalys olika erfarenheter av mellanstatligt forsknings- och innovationssamarbete i de olika bevakningsländerna visar på behovet av att det sköts professionellt framförallt att det finns en klar strategi och beredskap att möta internationella aktörer med resurser och organisation för implementering. Konkurrensen om internationellt samarbete hårdnar vilket exemplet med grafen visar.

Brister i prioritering och samordning av avancerad forskning i Sverige bidrar redan idag till att fler svenska aktörer väljer att flytta sin forskningsverksamhet utomlands. Sådana avbräck är svåra att återställa. Samtidigt prioriterar den kinesiska staten avancerad forskning och med detta följer såväl betydande finansiella resurser, uppbyggnad av infrastruktur, t ex i form av nationella laboratorier, som olika ekonomiska incitament för att attrahera både utländska företag och forskare. När kinesiska forskningsinstitut undersöker möjligheterna till samarbete med en utländsk institution görs inte bara en mycket långtgående bedömning av den enskilde forskaren, utan också av de nationella ramverk och strategier som finns för att stödja avancerad forskning. I exemplet med grafen märks en klar antydan att Sverige inte klarar konkurrensen med Storbritannien.

Denna rapport är skriven av Linda Westman och Christer Ljungwall vid Tillväxtanalys kontor i Peking och är en del av Tillväxtanalys löpande omvärldsbevakningsuppdrag.

[1] Xie, X. & Liu, C (2015), “Graphene is shaping nation's high-tech dreams”, China Daily

[2] År 2014 uppgavs branschen som helhet motsvara ett värde av 1.6 biljoner SEK. MIIT (2014), ” MIIT layout China USD 200$ billion new material industry”.

[3] Venture Capital Post (2015), ” Huawei to invest $1bn in ICT; keen on graphene applications” http://www.vcpost.com/articles/99795/20151020/huawei-invest-1bn-ict-keen-graphene-applications.htm