Кіріспе
Лоуренс Беркли ұлттық зертханасы (LBNL) – АҚШ, Калифорния штаты, Беркли қаласының төбелерінде орналасқан, федералды қаржыландырылатын ғылыми-зерттеу және даму орталығы. 1931 жылы Калифорния университеті (UC) құрған бұл зертхананы АҚШ Энергетика министрлігі демеушілік етеді және UC жүйесі басқарады. Циклотронды ойлап тапқаны үшін Нобель сыйлығын алған Эрнест Лоуренс зертхананы құрып, 1958 жылы қайтыс болғанға дейін оның директоры қызметін атқарды. Беркли төбелерінде орналасқан зертхана Берклидегі Калифорния университетінің кампусына көрініс береді.
Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) is a federally funded research and development center in the hills of Berkeley, California, United States. Established in 1931 by the University of California (UC), the laboratory is sponsored by the United States Department of Energy and administered by the UC system. Ernest Lawrence, who won the Nobel prize for inventing the cyclotron, founded the Lab and served as its Director until his death in 1958. Located in the Berkeley Hills, the lab overlooks the campus of the University of California, Berkeley.
Ғылыми зерттеулер
Беркли зертханасының миссиясы – ғылыми шешімдерді әлемге жеткізу. Беркли зертханасындағы зерттеулердің төрт негізгі бағыты бар: жаңалықтар ашу ғылымы, таза энергия, дені сау Жер және экологиялық жүйелер, сондай-ақ ғылымның болашағы. Зертхананың 22 ғылыми бөлімі алты зерттеу саласы бойынша ұйымдастырылған: Есептеу ғылымдары, Физика ғылымдары, Жер және қоршаған орта ғылымдары, Биология ғылымдары, Энергия ғылымдары және Энергия технологиялары. Зертхананың негізін қалаушы Эрнест Лоуренс ғылыми зерттеулерді әртүрлі салалардағы білікті мамандардың бірлескен еңбегі арқылы жақсы жүзеге асыруға болатынына сенді, және оның зертханасы бүгінгі күнге дейін осы принципти басшылыққа алады.
Ғылыми-зерттеу әсері
Беркли зертханасының ғалымдары физика және химиядан 15 Нобель сыйлығын жеңіп алды, және зертхана аумағында әрбір сыйлық иегерінің есімімен аталатын көше бар. Беркли зертханасының 82 зерттеушісі Ұлттық ғылым академиясының немесе Ұлттық инженерлік академиясының құрамына сайланды. Nature Index көрсеткіші бойынша өлшенгенде, Беркли зертханасы физикалық ғылымдар және химия саласындағы ең үлкен ғылыми жарияланымдарға ие әлемдегі жалғыз үкіметтік зертхана болып табылады. Одан жоғары рейтингте Қытай, Франция және Италияның барлық ұлттық мемлекеттік зерттеу агенттіктері ғана, олардың әрқайсысы АҚШ Энергетика министрлігінің 17 Ұлттық зертханасының толық желісімен шамалас. Осы көрсеткішті пайдаланғанда, зертхана жер және қоршаған орта ғылымдары саласында екінші орында тұр.
Командалық ғылым
Беркли зертханасындағы зерттеулердің көп бөлігі бірнеше саланың және бірнеше мекеменің зерттеушілері ортақ ғылыми мақсаттарға жұмыла бағытталған үлкен команда ретінде жүргізіледі. Беркли бірнеше ғылыми-зерттеу институттары мен орталықтарының жетекші серіктесі немесе жетекшілерінің бірі, оның ішінде: Бірлескен биоэнергетика институты (JBEI). JBEI-нің миссиясы – биоэнергетикалық егістердегі максималды көміртегі мөлшерін биоотын мен биоөнімдерге айналдыруға қажетті ғылыми білім мен жаңа технологияларды құру. JBEI – АҚШ Энергетика министрлігінің (DOE) биоэнергетика ғылыми-зерттеу орталықтарының (BRC) бірі. 2023 жылы DOE келесі бес жылға BRC-ді қолдау үшін 590 миллион доллар бөлді. Су инновациясы жөніндегі ұлттық альянс (NAWI). NAWI-нің мақсаты – орталықтандырылмаған, мақсатына сай өңдеу арқылы АҚШ экономикасын қолжетімді, энергия тиімді және тұрақты сумен қамтамасыз ету. NAWI негізінен DOE энергия тиімділігі және жаңартылатын энергия кеңсесі, сондай-ақ Калифорния су ресурстары департаменті және Калифорния штатының су ресурстарын бақылау басқармасымен серіктестікте жұмыс істейді. Беркли зертханасы – жетекші серіктес, ал негізін қалаушы серіктестері Oak Ridge Ұлттық зертханасы (ORNL) және Ұлттық жаңартылатын энергия зертханасы (NREL). Сұйық күн энергиясы альянсы (LiSA). LiSA-ның миссиясы – күн сәулесі, су, көмірқышқыл газы және азоттан сұйық отын тиімді және таңдаулы түрде өндіру үшін берік, біріктірілген микроорталарды бірлесіп жобалауға қажетті ғылыми принциптерді анықтау. LiSA-ның жетекші мекемесі – Калифорния технология институты, ал Беркли зертханасы – маңызды серіктес. Энергияны сақтау жөніндегі бірлескен зерттеу орталығы (JCESR). JCESR-дің миссиясы – көлік және электр желісі үшін жоғары өнімді келесі буын аккумуляторларын құруға мүмкіндік беретін электродтар, электролиттер және интерфейстер үшін жаңа, революциялық тұжырымдамалар мен материалдарды ұсыну. Argonne Ұлттық зертханасы JCESR-ді басқарады, ал Беркли зертханасы – маңызды серіктес.
The Joint BioEnergy Institute (JBEI). JBEI's mission is to establish the scientific knowledge and new technologies needed to transform the maximum amount of carbon available in bioenergy crops into biofuels and bioproducts. JBEI is one of four U. S. Department of Energy (DOE) Bioenergy Research Centers (BRCs). In 2023, the DOE announced the commitment of $590M to support the BRCs for the next five years. The National Alliance for Water Innovation (NAWI). NAWI aims to secure an affordable, energy efficient, and resilient water supply for the US economy through decentralized, fit for purpose processing. NAWI is supported primarily by the DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, partnering with the California Department of Water Resources, the California State Water Resources Control Board. Berkeley Lab is the lead partner, with founding partners Oak Ridge National Laboratory (ORNL) and the National Renewable Energy Laboratory (NREL). The Liquid Sunlight Alliance (LiSA). LiSA's Mission is to establish the science principles by which durable coupled microenvironments can be co designed to efficiently and selectively generate liquid fuels from sunlight, water, carbon dioxide, and nitrogen. The lead institution for LiSA is the California Institute of Technology and Berkeley Lab is a major partner. The Joint Center for Energy Storage Research (JCESR). JCESR's mission is to deliver transformational new concepts and materials for electrodes, electrolytes and interfaces that will enable a diversity of high performance next generation batteries for transportation and the grid. Argonne National Laboratory leads JCESR and Berkeley Lab is a major partner.
Циклотрондар жолы
Cyclotron Road – технологиялық инноваторларға арналған стипендиялық бағдарлама, ол өз технологиялық жобаларын дамытуға тырысатын кәсіпкер ғалымдарды қолдайды. Бағдарламаның негізгі қаржылық қолдауын Энергетика департаментінің Энергия тиімділігі және жаңаруға қабілетті энергия басқармасы, Лабораториялық енгізілген кәсіпкерлік бағдарламасы арқылы көрсетеді. Беркли зертханасы бағдарламаны Activate ұйымымен тығыз серіктестікте басқарады, бұл коммерциялық емес ұйым АҚШ және әлем бойынша көптеген инноваторларға Cyclotron Road стипендиялық моделін тарату үшін құрылған. Cyclotron Road стипендиаттары екі жылдық стипендия, 100 000 доллар көлеміндегі ғылыми-зерттеу жәрдемі, қарқынды жетекшілік, стартап оқу бағдарламасы және Беркли зертханасының білімі мен құрал-жабдықтарына қол жеткізеді. 2017 жылы бірінші топ мүшелері стипендияларын аяқтағаннан бері Cyclotron Road стипендиаттары құрған компаниялар келесі қаржыландыру раундыларында шамамен 1 миллиард доллар көлемінде қаражат тартып алды.
Нобель сыйлығының иегерлері
Беркли зертханасының он бес ғалымы физика немесе химия саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. 1930 жылдары Лоуренс физикалық зерттеулер үшін үлкен және үлкен машиналар құруға ұмтылды, жеке қайырымдастардан қаржыландыру іздеді. Ол ірі жобаларды жүзеге асыру үшін үлкен команда құрған алғашқы ғалым болды. Бірақ, аталған машиналар университет аумағында сақтауға тым үлкен болып шықты, сондықтан 1940 жылы зертхана қазіргі орнына, кампустың үстіндегі төбеге көшірілді. Осы кезеңде құрылған командаға екі жас ғалым кірді, олар кейіннен ірі зертханаларға жетекшілік етті: Дж. Роберт Оппенгеймер, Лос-Аламос зертханасын басқарған, және Роберт Уилсон, Фермилаб директоры болған. 1942 жылдың соңында Лесли Гровс Манхэттен жобасын ұйымдастырып жатқанда Лоуренстің радиациялық зертханасына барды және алғаш рет Дж. Роберт Оппенгеймермен танысты. Оппенгеймерге ядролық бомбаны жасау жұмыстарын ұйымдастыру міндеті жүктелді, ол жұмыстың құпиялылығын сақтау үшін қазіргі Лос-Аламос Ұлттық зертханасын құрды. Берклидің үдеткіштер тобы 6,5 гигаэлектронвольт (GeV) энергиясына дейін протондарды үдетуге қабілетті протондар синхротроны – Беватронды жасады, бұл энергия антипротонды өндіру шегінен сәл жоғары болды. 1955 жылы, Беватрон толыққанды жұмыс істеген алғашқы жылы, физиктер Эмилио Сегре мен Оуэн Чемберлен алғаш рет антипротонды байқауға қол жеткізді. Олар осы жаңалықтары үшін 1959 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. 1959 жылы ЦЕРН-дегі Протон синхротроны протондарды 25 GeV-қа дейін үдеткенге дейін Беватрон ең жоғары энергиялы үдеткіш болып қала берді. Луис Альварес бірнеше сұйық сутегілі көпіршік камераларын жобалады және құрылысын жүргізді, олар Беватрон сәулелерін пайдалана отырып, көптеген жаңа элементар бөлшектерді ашуға мүмкіндік берді. Оның тобы сондай-ақ, бөлшектердің миллиондаған іздерінің суреттерін тіркеуге арналған өлшеу жүйелерін және деректерді талдауға арналған компьютерлік жүйелерді жасады. Альварес осы техниканы қолдана отырып, көптеген элементар бөлшектерді ашқаны үшін 1968 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Альварес физикалық меморандумдары – Луис В. Альварес басқарған физиктер, инженерлер, компьютерлік бағдарламашылар және техниктердің үлкен тобының ресми емес жұмыс қағаздарының жиынтығы. 1700-ден астам меморандум зертхананың сайтында онлайн қолжетімді. Беркли зертханасы 1940-1974 жылдар аралығында периодтық кестедегі 16 элементті ашқандығымен мақтанады, бұл көрсеткіш басқа ешбір мекемеде байқалмаған. Америкалық Химия қоғамы осы жетістікті еске алу үшін зертханада Ұлттық тарихи химиялық ескерткіш орнатты. Гленн Сиборг осы жаңа элементтердің тоғызын жеке өзі ашты және 1951 жылы Макмилланмен бірге химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. Лабораторияның негізін қалаушы директоры Лоуренс 1958 жылы 57 жасында қайтыс болды. Макмиллан екінші директор болып тағайындалды және 1972 жылға дейін осы қызметте болды.
1973-1989 жылдар: энергия және қоршаған ортаны зерттеудегі жаңа мүмкіндіктер
Калифорния университеті 1973 жылғы мұнай дағдарысы кезінде Эндрю Сесслерді Лаборатория директоры қызметіне тағайындады. Ол Лабораторияда Энергия және қоршаған орта бөлімін құрып, ел алдында тұрған энергия және қоршаған ортаға қатысты мәселелерді шешетін қолданбалы зерттеулер саласына алғаш рет кеңейтті. Сесслер, сондай-ақ, Берклидегі басқа физиктермен бірлесіп, Сахаров, Орлов, Шаранский үшін ғалымдар (SOS) деп аталатын ұйым құрды. Бұл ұйым КСРО үкіметі тарапынан қуғынға ұшыраған үш совет ғалымының жағдайына халықаралық деңгейде назар аударатын наразылық қозғалысын бастады. Артур Розенфельд Беркли Лабораториясында қолданбалы энергия зерттеулерін дамытуға бағытталған жұмыстарды жетекшілік етті. Ол энергия тиімділігін арттырудың әкесі ретінде және елде электр құралдары мен ғимараттарға энергия стандарттарын енгізуге ықпал еткен адам ретінде кеңінен танылды. 1973 жылғы мұнай дағдарысынан шабыт алып, ол энергия тиімділігін күрт жақсартатын бірнеше технологияны әзірлейтін үлкен командалық жұмыстарды ұйымдастырды. Аталған технологияларға ықшам люминесценттік шамдар, аз энергияны тұтынатын тоңазытқыштар және жылуды сақтайтын терезелер кірді. Ол Калифорния штаты үшін ғимараттар мен құрылғыларға арналған алғашқы энергия тиімділігі стандарттарын жасады, бұл штаттың 1973 жылдан 2006 жылға дейін жан басына шаққандағы электр тұтынуын тұрақты деңгейде ұстауына көмектесті, ал елдің қалған бөлігінде бұл көрсеткіш 50%-ға өсті. Бұл құбылыс Розенфельд эффектісі деп аталады. 1980 жылға қарай Джордж Смут Берклиде күшті эксперименталдық топ құрды, олар ғаламның ерте кезеңдерін зерттеу үшін ғарыштық микротолқындық фонды (CMB) өлшейтін құралдар жасады. Ол 1989 жылы Ғарыштық фонды зерттеуші (COBE) миссиясының құрамында ұшырылған Дифференциалдық микротолқындық радиометр (DMR) құралының бас зерттеушісі болды. DMR түсірген толық аспан карталары COBE ғалымдарына CMB-нің анизотропиясын анықтауға мүмкіндік берді, ал Смут 2006 жылы Джон Мэтермен бірге физика саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті.
1990 жылдан 2004 жылға дейін: химия және материалдар, нанотехнология, ғылыми есептеулер және геномика бойынша жаңа құралдар
Чарльз В. Шенк покинул Bell Labs, чтобы в 1989 году стать директором Беркли-лэб, занимая эту должность в течение 15 лет. За время его пребывания в должности, четыре из пяти национальных научных пользовательских установок начали функционировать в Беркли, а строительство пятой было начато. 5 октября 1993 года новый Источник продвинутого света произвел свои первые пучки рентгеновского излучения. Дэвид Ширли в начале 1990-х годов предложил построить этот новый синхротронный источник, специализирующийся на визуализации материалов с использованием экстремального ультрафиолета до мягкого рентгеновского излучения. Осенью 2001 года крупное обновление добавило "супербенды" для получения более жесткого рентгеновского излучения для линий, предназначенных для протеиновой кристаллографии. В 1996 году Национальный центр научных вычислений энергетических исследований (NERSC) и Сеть энергетических наук (ESnet) были перенесены из Лоуренс-Ливерморской национальной лаборатории в их новый дом в Беркли-лэб. Для восстановления NERSC в Беркли потребовалось переместить Cray C90, суперкомпьютер векторного процессора первого поколения образца 1991 года, и установить новый Cray T3E, модель второго поколения (1995 года). Вычислительная мощность NERSC составляла 350 GFlop/s, что составляет 1/200 000 скорости Perlmutter в 2022 году. Хорст Саймон был приглашен в Беркли в качестве первого директора NERSC, и вскоре он стал одним из редакторов, управляющих списком Top500 суперкомпьютеров, и остается на этой должности по сей день. Объединенный геномный институт (JGI) был создан в 1997 году для объединения опыта и ресурсов в области картирования генома, секвенирования ДНК, разработки технологий и информационных наук, которые были разработаны в геномных центрах Министерства энергетики в Беркли-лэб, Лоуренс-Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) и Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL). JGI был первоначально создан для работы над проектом "Геном человека" (HGP) и сгенерировал полные последовательности хромосом 5, 16 и 19. В 2004 году JGI утвердился как национальная пользовательская установка, управляемая Беркли-лэб, ориентированная на широкие геномные потребности биологии и биотехнологии, особенно те, которые связаны с окружающей средой и управлением углеродом. Директор лаборатории Шэнк привез Дэниела Чемлу из Bell Labs в Беркли-лэб в 1991 году, чтобы возглавить недавно сформированное Отделение материаловедения и инженерии. В 1998 году Чемла был назначен директором Источника продвинутого света для превращения его в научно-пользовательскую установку мирового класса. В 2001 году Чемла предложил создание Молекулярной фабрики, чтобы сделать передовые инструменты и опыт в области нанотехнологий доступными для широкого исследовательского сообщества. Пауль Аливизатос был назначен основателем-директором, а основателями установок были Кэролин Бертоцци, Жан Фреше, Стивен Гвон Шенг Луи, Джеффри Бокор и Микель Сальмерон. Здание Молекулярной фабрики было открыто в 2006 году, Бертоцци была назначена директором фабрики, а Стивен Чу - директором лаборатории. В 1990-х годах Саул Перлмуттер возглавил Проект космологии сверхновых (SCP), который использовал определенный тип сверхновых в качестве стандартных свечей для изучения расширения Вселенной. Команда SCP совместно обнаружила ускоряющееся расширение Вселенной, что привело к концепции темной энергии, неизвестной формы энергии, которая движет этим ускорением. Перлмуттер разделил Нобелевскую премию по физике в 2011 году за это открытие.
2016 жылдан бастап қазіргі уақытқа дейін: жаңа нысандар салу және көміртегіден тазартуды жеделдету
2015 жылы Пол Аливизатос зертхана директоры лауазымынан қанағаттандырылатынын хабарлады. Ол 2021 жылы Чикаго университетінің президенті болғанға дейін Калифорния университетінде (Беркли) екі басшылық қызмет атқарды. Калифорния университеті 2016 жылдың 1 наурызынан бастап Беркли зертханасының сегізінші директоры ретінде бұрынғы Фермилаб директоры және Санта-Барбарадағы Калифорния университетінің ғылыми-зерттеу жөніндегі вице-канцлері Майкл Уизереллді таңдады. 2016 жылы зертхана қарқынды жаңарту кезеңіне кірді: бұрын-соңды болмаған көптеген ірі жобалар іске асырылды, олардың мақсаты – ғылыми құрал-жабдықты жаңарту және жаңаларын салу. Беркли зертханасының физиктері қараңғы энергияның спектроскопиялық аспабын жасады, ол материяның таралуының үш өлшемді картасын құруға арналған, бұл аспап ғаламның беспрецеденттік көлемін толыққанды көрсетеді. Жаңа аспап 2019 жылы Китт Пик Ұлттық обсерваториясындағы 4 метрлік Николас У. Майолл телескобына орнатылды. Бес жылдық миссия 2021 жылы басталды, ал алғашқы жеті айда жиналған деректер негізінде құрастырылған картада бұрынғы барлық зерттеулерден көбірек галактикалар тіркелді. 2016 жылдың 27 қыркүйегінде DOE ALS U миссиясының қажеттілігін бекітті, бұл жаңа сақтау және аккумулятор сақиналарын салуды қамтитын Advanced Light Source-ты жаңартудың маңызды жобасы. ALS-те электронды сәуленің көлденең өлшемі 100 микрометрден бірнеше микрометрге дейін азаяды, бұл келесі буын батареялар мен электроника үшін қажетті жаңа материалдарды бейнелеу мүмкіндігін жақсартады. Жалпы жоба құны 590 миллион долларды құрайды, бұл 1993 жылы ALS салынғаннан бері зертханадағы ең ірі құрылыс жобасы.
Лабораторияның атауы қалай пайда болды
Лоренстің 1958 жылдың тамызында қайтыс болғаннан кейін көп ұзамай, Беркли және Ливермор орналасқан жерлерін қоса алғанда, UC Радиациялық зертханасы Лоренс Радиациялық зертханасы деп аталды. Берклидегі орналасқан жері 1971 жылы Лоуренс Беркли зертханасы болды, бірақ көптеген адамдар оны RadLab деп атауын жалғастырды. Бірте-бірте LBL деген қысқаша атау да жиі қолданыла бастады. 1995 жылы барлық DOE зертханаларының атауына "Ұлттық" деген сөз қосылғанда, оның ресми атауы Эрнест Орландо Лоуренс Беркли Ұлттық зертханасы болып өзгертілді. Кейіннен атауды қысқарту үшін "Эрнест Орландо" деген есім алынып тасталды. Бүгінде зертхана көбінесе Беркли зертханасы деп аталады.
Операциялар мен басқару
Калифорния университеті Энергетика департаментімен шарт бойынша Лоуренс Беркли ұлттық зертханасын басқарады. Зертхана орналасқан жер Беркли төбелеріндегі 76 ғимараттан тұрады (ғимараттар АҚШ Энергетика департаментінің меншігінде). Барлығы зертханада 3663 UC қызметкері жұмыс істейді, олардың шамамен 800-і студенттер немесе постдокторанттар, және әр жыл сайын 3000-нан астам қатысушы ғалымды қабылдайды. Зертханада DOE-нің шамамен екі ондаған қызметкері орналасқан, олар Беркли зертханасының жұмысына федералдық бақылауды жүзеге асырады. Зертхана директоры Майкл Уизерэллді университет регенттері тағайындайды және ол университет президентіне есеп береді. Беркли зертханасы Беркли кампусынан тәуелсіз UC басқаруында болғанымен, екі ұйым тығыз байланыста: 200-ден астам Беркли зертханасының зерттеушілері UC Беркли факультетінің құрамында бірлескен қызметте жұмыс істейді. Зертхананың 2022 қаржы жылындағы бюджеті 1,17 миллиард доллар, ал жалпы міндеттемелер 1,45 миллиард долларға жетті.