Введение

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (англ. Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL) — федеральный исследовательский центр, расположенный в холмах Беркли, Калифорния, США. Лаборатория была основана в 1931 году Калифорнийским университетом (UC) и финансируется Министерством энергетики США, которое осуществляет управление через систему Калифорнийского университета. Эрнест Лоуренс, лауреат Нобелевской премии за изобретение циклотрона, основал лабораторию и занимал должность директора до своей смерти в 1958 году. Расположенная в Беркли-Хиллз, лаборатория возвышается над кампусом Калифорнийского университета в Беркли.

Научные исследования

Миссия Берклийской лаборатории — предлагать миру научные решения. Исследования, проводимые в Берклийской лаборатории, охватывают четыре основных направления: фундаментальные научные открытия, чистая энергия, здоровье Земли и экологические системы, а также будущее науки. 22 научных отдела Лаборатории объединены в шесть исследовательских областей: вычислительная наука, физические науки, науки о Земле и окружающей среде, биологические науки, энергетические науки и энергетические технологии. Основатель Лаборатории, Эрнест Лоуренс, был убежден, что научные исследования наиболее эффективны, когда проводятся командами специалистов из разных областей, работающих совместно, и эта идея по-прежнему является основополагающим принципом работы Лаборатории.

Влияние исследований

Ученые из лаборатории Беркли получили 15 Нобелевских премий по физике и химии, и в честь каждого из лауреатов на территории кампуса лаборатории названа улица. 82 исследователя лаборатории Беркли были избраны членами Национальной академии наук или Национальной инженерной академии. Согласно индексу Nature, лаборатория Беркли демонстрирует наибольшее влияние на научные публикации среди всех государственных лабораторий мира в области физических наук и химии. Более высокий рейтинг имеют только национальные государственные исследовательские организации Китая, Франции и Италии, каждая из которых по масштабу сопоставима с объединенной сетью из 17 национальных лабораторий Министерства энергетики США. При использовании той же метрики, лаборатория занимает второе место по рейтингу в области наук о Земле и окружающей среде.

Командная наука

Большая часть исследований в лаборатории Беркли проводится исследователями из различных дисциплин и нескольких учреждений, работающих совместно в качестве большой команды, ориентированной на общие научные цели. Беркли является ведущим партнером или одним из лидеров в нескольких исследовательских институтах и центрах, включая следующие: Объединенный институт биоэнергии (JBEI). Миссия JBEI заключается в создании научных знаний и новых технологий, необходимых для преобразования максимального количества углерода, содержащегося в биоэнергетических культурах, в биотопливо и биопродукты. JBEI является одним из четырех исследовательских центров биоэнергетики Министерства энергетики США (DOE). В 2023 году Министерство энергетики объявило о выделении 590 миллионов долларов США на поддержку BRC в течение следующих пяти лет. Национальный альянс по инновациям в области водных ресурсов (NAWI). Цель NAWI – обеспечить экономичное, энергоэффективное и устойчивое водоснабжение для экономики США посредством децентрализованной очистки и подготовки воды, соответствующей конкретным потребностям. NAWI поддерживается главным образом Управлением энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства энергетики США в партнерстве с Департаментом водных ресурсов Калифорнии и Государственным советом по контролю водных ресурсов штата Калифорния. Лаборатория Беркли является ведущим партнером, а партнерами-основателями являются Oak Ridge National Laboratory (ORNL) и National Renewable Energy Laboratory (NREL). Альянс «Жидкий солнечный свет» (LiSA). Миссия LiSA заключается в установлении научных принципов, позволяющих совместно проектировать устойчивые микросреды для эффективного и селективного производства жидкого топлива из солнечного света, воды, углекислого газа и азота. Ведущим учреждением для LiSA является Калифорнийский технологический институт, а лаборатория Беркли – ключевой партнер. Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR). Миссия JCESR заключается в разработке принципиально новых концепций и материалов для электродов, электролитов и интерфейсов, которые позволят создать широкий спектр высокопроизводительных аккумуляторов нового поколения для транспорта и электросетей. Национальная лаборатория Аргонн возглавляет JCESR, а лаборатория Беркли является ключевым партнером.

Циклотроновая дорога

Cyclotron Road – это программа поддержки для технологических новаторов, помогающая ученым-предпринимателям развивать собственные технологические проекты. Основное финансирование программы осуществляется Управлением энергоэффективности и возобновляемой энергетики Министерства энергетики в рамках Программы развития предпринимательства в национальных лабораториях. Berkeley Lab управляет программой в тесном сотрудничестве с Activate – некоммерческой организацией, созданной для расширения модели программы Cyclotron Road и охвата большего числа новаторов в США и по всему миру. Участники программы Cyclotron Road получают двухлетнюю стипендию, 100 000 долларов на поддержку исследований, интенсивное наставничество, образовательную программу для стартапов, а также доступ к экспертам и ресурсам Berkeley Lab. С момента завершения программы первой когортой в 2017 году, компании, основанные участниками Cyclotron Road, привлекли около 1 миллиарда долларов последующего финансирования.

Лауреаты Нобелевской премии

Пятнадцать ученых из лаборатории Беркли получили Нобелевскую премию по физике или химии. На протяжении 1930-х годов Лоуренс стремился к созданию все более крупных машин для физических исследований, привлекая частных филантропов для финансирования. Он был первым, кто собрал большую команду для реализации масштабных проектов, направленных на совершение открытий в фундаментальных исследованиях. В конечном итоге эти машины стали слишком большими для размещения на территории университета, и в 1940 году лаборатория переехала на свое нынешнее место на вершине холма над кампусом. В состав команды, сформированной в этот период, вошли два других молодых ученых, которые впоследствии возглавили крупные лаборатории: Дж. Роберт Оппенгеймер, руководивший Лос-Аламосской лабораторией, и Роберт Уилсон, руководивший Фермилабом. Лесли Гроувз посетил Радиационную лабораторию Лоуренса в конце 1942 года, когда организовывал Манхэттенский проект, и впервые встретился с Дж. Робертом Оппенгеймером. Оппенгеймеру была поставлена задача организовать разработку ядерного оружия, и он основал современную Национальную лабораторию Лос-Аламоса, чтобы обеспечить секретность работ. Команда ускорителей в Беркли построила Беватрон – протонный синхротрон, способный ускорять протоны до энергии 6,5 гигаэлектронвольт (GeV), энергии, выбранной чуть выше порога образования антипротонов. В 1955 году, в первый полный год работы Беватрона, физики Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен выиграли соревнование за первое наблюдение антипротонов. За это открытие они получили Нобелевскую премию по физике в 1959 году. Беватрон оставался ускорителем с самой высокой энергией до тех пор, пока в 1959 году в ЦЕРНе не начали ускорять протоны до 25 ГэВ. Луис Альварес руководил проектированием и строительством нескольких пузырьковых камер с жидким водородом, которые использовались для обнаружения большого числа новых элементарных частиц с помощью пучков Беватрона. Его группа также разработала измерительные системы для регистрации миллионов фотографий треков частиц в пузырьковой камере и компьютерные системы для анализа данных. Альварес получил Нобелевскую премию по физике в 1968 году за открытие многих элементарных частиц с использованием этой методики. "Физические меморандумы Альвареса" – это сборник неофициальных рабочих документов большой группы физиков, инженеров, программистов и техников, возглавляемых Луисом В. Альваресом с начала 1950-х годов до его смерти в 1988 году. Более 1700 меморандумов доступны в сети на сайте лаборатории. Лаборатории Беркли приписывают открытие 16 элементов периодической таблицы, что больше, чем у любого другого учреждения, в период с 1940 по 1974 год. Американское химическое общество установило в лаборатории Национальный исторический химический памятник в ознаменование этого достижения. Гленн Сиборг лично участвовал в открытии девяти из этих новых элементов и получил Нобелевскую премию по химии в 1951 году вместе с Макмилланом. Основатель и первый директор лаборатории Лоуренс умер в 1958 году в возрасте 57 лет. Макмиллан стал вторым директором, занимая эту должность до 1972 года.

С 1973 по 1989 год: новые возможности в области энергетических и экологических исследований

Калифорнийский университет назначил Эндрю Сесслера директором лаборатории в 1973 году, во время нефтяного кризиса 1973 года. Он основал Отдел энергетики и окружающей среды при лаборатории, впервые расширив деятельность на прикладные исследования, направленные на решение энергетических и экологических проблем, стоявших перед страной. Сесслер также объединился с другими физиками из Беркли, чтобы создать организацию под названием «Ученые в защиту Сахарова, Орлова, Шаранского» (SOS), которая возглавила международное протестное движение, привлекающее внимание к тяжелому положению трех советских ученых, преследуемых правительством СССР. Артур Розенфельд возглавил кампанию по развитию прикладных исследований в области энергетики в лаборатории Беркли. Он стал широко известен как отец энергоэффективности и человек, убедивший страну принять стандарты энергопотребления для бытовой техники и зданий. Вдохновленный нефтяным кризисом 1973 года, он инициировал масштабные командные проекты, разработавшие ряд технологий, радикально повысивших энергоэффективность, включая компактные люминесцентные лампы, холодильники с низким энергопотреблением и теплосберегающие окна. Он разработал первые стандарты энергоэффективности для зданий и бытовой техники в Калифорнии, что позволило штату поддерживать стабильный уровень потребления электроэнергии на душу населения с 1973 по 2006 год, в то время как в остальной части страны он вырос на 50%. Это явление получило название «эффект Розенфельда». К 1980 году Джордж Смут создал сильную экспериментальную группу в Беркли, занимавшуюся разработкой приборов для измерения космического микроволнового фона (CMB) с целью изучения ранней Вселенной. Он стал ведущим исследователем инструмента дифференциального микроволнового радиометра (DMR), запущенного в 1989 году в рамках миссии «Исследователь космического микроволнового фона» (COBE). Полученные с помощью DMR карты всего неба позволили ученым COBE обнаружить анизотропию CMB, и в 2006 году Смут разделил Нобелевскую премию по физике с Джоном Мэтером.

С 1990 по 2004 год: новые объекты для химии и материалов, нанотехнологий, научных вычислений и геномики

Чарльз В. Шенк покинул лабораторию Bell Labs, чтобы стать директором лаборатории Беркли в 1989 году, на посту которого он оставался в течение 15 лет. За время его руководства четыре из пяти национальных научных пользовательских установок начали функционировать в Беркли, а строительство пятой было начато. 5 октября 1993 года новый Усовершенствованный источник света выдал первые пучки рентгеновского излучения. Дэвид Ширли предложил в начале 1990-х годов построить этот новый синхротронный источник, специализирующийся на визуализации материалов с использованием экстремального ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения. Осенью 2001 года в результате масштабной модернизации были добавлены "супергибы" для получения более жесткого рентгеновского излучения для линий, предназначенных для белковой кристаллографии. В 1996 году Национальный центр научных вычислений по исследованию энергетики (NERSC) и Сеть энергетических наук (ESnet) были перенесены из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в их новую локацию в лаборатории Беркли. Для восстановления работы NERSC в Беркли потребовалось переместить Cray C90 – суперкомпьютер первого поколения с векторным процессором образца 1991 года – и установить новый Cray T3E, модель второго поколения (1995). Вычислительная мощность NERSC составляла 350 GFlop/s, что эквивалентно 1/200 000 скорости Perlmutter в 2022 году. Хорст Саймон был приглашен в Беркли в качестве первого директора NERSC и вскоре стал одним из соредакторов списка 500 самых мощных суперкомпьютеров, на этой позиции он остается и по сей день. Объединенный институт генома (JGI) был создан в 1997 году для объединения опыта и ресурсов в области картирования генома, секвенирования ДНК, разработки технологий и информационных наук, накопленных в центрах генома Министерства энергетики (DOE) при лаборатории Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) и Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL). JGI был первоначально создан для работы над проектом "Геном человека" (HGP) и получил полные последовательности хромосом 5, 16 и 19. В 2004 году JGI утвердился как национальная пользовательская установка, управляемая лабораторией Беркли, сосредоточив внимание на широких геномных потребностях биологии и биотехнологии, особенно в областях, связанных с окружающей средой и управлением углеродом. Директор лаборатории Шэнк пригласил Дэниела Чемлу из лаборатории Bell в лабораторию Беркли в 1991 году, чтобы возглавить новообразованный Отдел материаловедения и инженерии. В 1998 году Чемла был назначен директором Усовершенствованного источника света с целью превратить его в научное учреждение мирового класса. В 2001 году Чемла предложил создать Молекулярный литейный завод, чтобы сделать передовые инструменты и опыт в области нанотехнологий доступными для широкого исследовательского сообщества. Полом Аливизатосом был назначен директором-основателем, а директорами-основателями установок стали Кэролин Бертоцци, Жан Фреше, Стивен Гвон Шенг Луи, Джеффри Бокор и Микель Сальмерон. Здание Молекулярного литейного завода было открыто в 2006 году, Бертоцци стала директором литейного завода, а Стивен Чу – директором лаборатории. В 1990-х годах Саул Перлмуттер возглавил Проект по космологии сверхновых (SCP), который использовал определенный тип сверхновых в качестве стандартных свечей для изучения расширения Вселенной. Команда SCP совместно открыла ускоряющееся расширение Вселенной, что привело к концепции темной энергии – неизвестной формы энергии, вызывающей это ускорение. Перлмуттер разделил Нобелевскую премию по физике в 2011 году за это открытие.

С 2016 года по настоящее время: строительство новых объектов и ускорение декарбонизации

В 2015 году Пол Аливизатос объявил, что уходит с поста директора лаборатории. Он занимал две руководящие должности в Калифорнийском университете в Беркли, прежде чем в 2021 году стать президентом Чикагского университета. Калифорнийский университет назначил Майкла Уизерэлла, ранее директора Фермилаба и вице-канцлера по исследованиям Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, восьмым директором лаборатории Беркли, начиная с 1 марта 2016 года. В 2016 году лаборатория вступила в период интенсивной модернизации, включавший беспрецедентное количество крупных проектов по модернизации существующих научных установок и строительству новых. Физики из лаборатории Беркли возглавили создание Спектроскопического инструмента для изучения темной энергии, предназначенного для создания трехмерных карт распределения материи, охватывающих беспрецедентный объем Вселенной с невиданной детализацией. Новый прибор был установлен на модернизированном 4-метровом телескопе Николаса У. Майола в Национальной обсерватории Китт-Пик в 2019 году. Пятилетняя миссия началась в 2021 году, и карта, составленная на основе данных, собранных за первые семь месяцев, уже содержала больше галактик, чем любая предыдущая съемка. 27 сентября 2016 года Министерство энергетики одобрило необходимость миссии ALS U – крупного проекта по модернизации Усовершенствованного источника света, включающего строительство нового накопительного кольца и кольца-аккумулятора. Горизонтальный размер электронного пучка в ALS будет уменьшен с 100 микрометров до нескольких микрометров, что повысит возможности визуализации новых материалов, необходимых для батарей и электроники следующего поколения. Общая стоимость проекта составляет 590 миллионов долларов США, что делает его самым крупным строительным проектом в лаборатории с момента строительства ALS в 1993 году.

Как появилось название лаборатории

Вскоре после смерти Лоуренса в августе 1958 года Радиационная лаборатория Калифорнийского университета, включая площадки в Беркли и Ливерморе, была переименована в Лабораторию имени Лоуренса. В 1971 году площадка в Беркли получила название Лаборатория Лоуренса Беркли, хотя многие продолжали называть её RadLab. Постепенно в обиход вошла другая сокращенная форма – LBL. Официальное название было изменено на Национальную лабораторию имени Эрнеста Орландо Лоуренса Беркли в 1995 году, когда слово "National" было добавлено ко всем названиям лабораторий Министерства энергетики США. Позже "Эрнест Орландо" было исключено для сокращения названия. Сегодня лабораторию обычно называют Берклийской лабораторией.

Операции и управление

Калифорнийский университет управляет Национальной лабораторией имени Лоуренса Беркли по контракту с Министерством энергетики США. Комплекс состоит из 76 зданий (принадлежащих Министерству энергетики США), расположенных на земле, принадлежащей университету, в Беркли-Хиллз. В лаборатории работает в общей сложности 3663 сотрудника Калифорнийского университета, из которых около 800 – студенты или постдокторанты, и ежегодно она принимает более 3000 приглашенных ученых. В лаборатории также находится около двух десятков сотрудников Министерства энергетики, осуществляющих федеральный надзор за деятельностью лаборатории Беркли от имени Министерства. Директор лаборатории, Майкл Уизерэлл, назначается попечителями университета и подчиняется президенту университета. Несмотря на то, что лаборатория Беркли управляется Калифорнийским университетом независимо от кампуса Беркли, эти два учреждения тесно связаны: более 200 исследователей лаборатории Беркли одновременно являются преподавателями Калифорнийского университета в Беркли. Бюджет лаборатории в 2022 финансовом году составил 1,17 миллиарда долларов, а общие обязательства – 1,45 миллиарда долларов.