El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ( LBNL ) es un centro de investigación y desarrollo financiado con fondos federales en las colinas de Berkeley , California , Estados Unidos . Establecido en 1931 por la Universidad de California (UC), el laboratorio está patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y administrado por el sistema de la UC. [4] Ernest Lawrence , quien ganó el premio Nobel por inventar el ciclotrón, fundó el laboratorio y fue su director hasta su muerte en 1958. Ubicado en Berkeley Hills , el laboratorio domina el campus de la Universidad de California, Berkeley .
La misión de Berkeley Lab es llevar soluciones científicas al mundo. La investigación en Berkeley Lab tiene cuatro temas principales: ciencia de descubrimiento, energía limpia, sistemas ecológicos y terrestres saludables y el futuro de la ciencia. [5] Las 22 divisiones científicas del Laboratorio están organizadas en seis áreas de investigación: Ciencias de la Computación, Ciencias Físicas, Ciencias de la Tierra y Ambientales, Biociencias, Ciencias de la Energía y Tecnologías Energéticas. [6] El fundador del laboratorio, Ernest Lawrence, creía que la investigación científica se realiza mejor a través de equipos de personas con diferentes campos de especialización, trabajando juntos, y su laboratorio todavía considera que ese es un principio rector en la actualidad. [7]
Los científicos del Berkeley Lab han ganado quince premios Nobel en física y química, y cada uno tiene una calle que lleva su nombre en el campus del laboratorio. [3] 23 empleados del Berkeley Lab contribuyeron a los informes del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de las Naciones Unidas, que compartió el Premio Nobel de la Paz . Quince científicos del laboratorio también ganaron la Medalla Nacional de Ciencia y uno ganó la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación . [8] 82 investigadores del Laboratorio de Berkeley han sido elegidos miembros de la Academia Nacional de Ciencias o de la Academia Nacional de Ingeniería . [2]
Berkeley Lab tiene el mayor impacto en publicaciones de investigación de cualquier laboratorio gubernamental del mundo en ciencias físicas y química, según lo medido por Nature Index . [9] Las únicas instituciones con una clasificación más alta son todas las agencias de investigación gubernamentales nacionales de China, Francia e Italia, cada una de las cuales es comparable a la red completa de 17 Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía de los Estados Unidos . Utilizando la misma métrica, el Laboratorio es el segundo laboratorio en el área de ciencias de la tierra y ambientales. [10]
Gran parte del impacto de la investigación de Berkeley Lab se basa en las capacidades de sus instalaciones de investigación únicas. [11] El laboratorio gestiona cinco instalaciones nacionales de usuarios científicos, que forman parte de la red de 28 instalaciones de este tipo operadas por la Oficina de Ciencias del DOE. Estas instalaciones y la experiencia de los científicos e ingenieros que las operan se ponen a disposición de 14.000 investigadores de universidades, industrias y laboratorios gubernamentales. [12]
Berkeley Lab opera cinco importantes instalaciones de usuarios nacionales para la Oficina de Ciencias del DOE:
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Gran parte de la investigación en Berkeley Lab la realizan investigadores de varias disciplinas y múltiples instituciones que trabajan juntos como un gran equipo centrado en objetivos científicos compartidos. Berkeley es el socio principal o uno de los líderes en varios centros e institutos de investigación, incluidos los siguientes:
Cyclotron Road es un programa de becas para innovadores tecnológicos que apoya a científicos emprendedores mientras avanzan en sus propios proyectos tecnológicos. [29] El apoyo principal al programa proviene de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía, a través del Programa de Emprendimiento Integrado en Laboratorio. [30] Berkeley Lab gestiona el programa en estrecha colaboración con Activate , una organización sin fines de lucro establecida para ampliar el modelo de becas Cyclotron Road a un mayor número de innovadores en los EE. UU. y el mundo. [31] Los becarios de Cyclotron Road reciben dos años de estipendio, 100.000 dólares de apoyo a la investigación, tutoría intensiva y un plan de estudios inicial, y acceso a la experiencia y las instalaciones de Berkeley Lab. [32] Desde que los miembros de la primera cohorte completaron sus becas en 2017, las empresas fundadas por Cyclotron Road Fellows han recaudado alrededor de mil millones de dólares en financiación de seguimiento. [33]
Quince científicos del Laboratorio de Berkeley han recibido el Premio Nobel de Física o Química. [3]
Quince científicos del Laboratorio de Berkeley han recibido la Medalla Nacional de Ciencias . [8]
Arthur Rosenfeld recibió la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación en 2011.
El laboratorio fue fundado el 26 de agosto de 1931 por Ernest Lawrence , como Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, Berkeley , asociado con el Departamento de Física. Centró la investigación de la física en torno a su nuevo instrumento, el ciclotrón , un tipo de acelerador de partículas por el que recibió el Premio Nobel de Física en 1939. [34] A lo largo de la década de 1930, Lawrence impulsó la creación de máquinas cada vez más grandes para la investigación de la física, cortejando a filántropos privados para obtener financiación. Fue el primero en desarrollar un gran equipo para construir grandes proyectos para realizar descubrimientos en investigación básica. [35] Con el tiempo, estas máquinas crecieron demasiado para ser mantenidas en los terrenos de la universidad, y en 1940 el laboratorio se trasladó a su ubicación actual en lo alto de la colina sobre el campus. [36] Parte del equipo formado durante este período incluye otros dos jóvenes científicos que luego dirigieron grandes laboratorios: J. Robert Oppenheimer , quien dirigió el Laboratorio de Los Álamos , y Robert Wilson , quien dirigió el Fermilab .
Leslie Groves visitó el Laboratorio de Radiación de Lawrence a finales de 1942 mientras organizaba el Proyecto Manhattan , y conoció a J. Robert Oppenheimer por primera vez. A Oppenheimer se le asignó la tarea de organizar el esfuerzo de desarrollo de la bomba nuclear y fundó el actual Laboratorio Nacional de Los Álamos para ayudar a mantener el trabajo en secreto. [35] En el RadLab, Lawrence y sus colegas desarrollaron la técnica de enriquecimiento electromagnético de uranio utilizando su experiencia con ciclotrones. Los calutrones (que llevan el nombre de la Universidad) se convirtieron en la unidad básica de la enorme instalación Y-12 en Oak Ridge , Tennessee . El laboratorio de Lawrence ayudó a contribuir a lo que se han considerado los tres desarrollos tecnológicos más valiosos de la guerra (la bomba atómica, la espoleta de proximidad y el radar ). El ciclotrón, cuya construcción se detuvo durante la guerra, se terminó en noviembre de 1946. El Proyecto Manhattan cerró dos meses después.
Después de la guerra, el Laboratorio de Radiación se convirtió en uno de los primeros laboratorios incorporados a la Comisión de Energía Atómica (AEC) (ahora Departamento de Energía, DOE). En 1952, el Laboratorio estableció una sucursal en Livermore centrada en el trabajo de seguridad nuclear, que se convirtió en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Algunas investigaciones clasificadas continuaron en Berkeley Lab hasta la década de 1970, cuando se convirtió en un laboratorio dedicado únicamente a investigaciones científicas no clasificadas. Gran parte del liderazgo científico del Laboratorio durante este período también eran miembros del cuerpo docente de los Departamentos de Física y Química de la Universidad de California, Berkeley .
Los científicos e ingenieros del Berkeley Lab continuaron construyendo grandes y ambiciosos proyectos para acelerar el avance de la ciencia. El diseño original del ciclotrón de Lawrence no funcionaba con partículas cercanas a la velocidad de la luz, por lo que se necesitaba un nuevo enfoque. Edwin McMillan coinventó el sincrotrón con Vladimir Veksler para abordar el problema. McMillan construyó un sincrotrón de electrones capaz de acelerar electrones a 300 millones de electronvoltios (300 MeV), que funcionó desde 1948 hasta 1960. [37]
El equipo acelerador de Berkeley construyó el Bevatron , un sincrotrón de protones capaz de acelerar protones hasta una energía de 6,5 gigaelectronvoltios (GeV), energía elegida por estar justo por encima del umbral para producir antiprotones. En 1955, durante el primer año completo de funcionamiento del Bevatron, los físicos Emilio Segrè y Owen Chamberlain ganaron el concurso para observar los antiprotones por primera vez. Ganaron el Premio Nobel de Física en 1959 por este descubrimiento. [38] [39] El Bevatron siguió siendo el acelerador de mayor energía hasta que el sincrotrón de protones del CERN comenzó a acelerar protones a 25 GeV en 1959.
Luis Álvarez dirigió el diseño y construcción de varias cámaras de burbujas de hidrógeno líquido, que se utilizaron para descubrir una gran cantidad de nuevas partículas elementales utilizando haces Bevatron. Su grupo también desarrolló sistemas de medición para registrar millones de fotografías de pistas de partículas en la cámara de burbujas y sistemas informáticos para analizar los datos. Álvarez ganó el Premio Nobel de Física en 1968 por el descubrimiento de muchas partículas elementales mediante esta técnica. [40]
Los Alvarez Physics Memos son un conjunto de documentos de trabajo informales del gran grupo de físicos, ingenieros, programadores informáticos y técnicos dirigidos por Luis W. Alvarez desde principios de la década de 1950 hasta su muerte en 1988. Más de 1700 memorandos están disponibles en línea. organizado por el Laboratorio. [41]
A Berkeley Lab se le atribuye el descubrimiento de 16 elementos en la tabla periódica, más que cualquier otra institución, durante el período de 1940 a 1974. [42] La Sociedad Química Estadounidense ha establecido un Monumento Químico Histórico Nacional en el laboratorio para conmemorar este logro.[43] Glenn Seaborg participó personalmente en el descubrimiento de nueve de estos nuevos elementos y ganó el Premio Nobel de Química en 1951 con McMillan. [44]
El director fundador del laboratorio, Lawrence, murió en 1958 a la edad de 57 años. McMillan se convirtió en el segundo director y ocupó ese cargo hasta 1972.
La Universidad de California nombró a Andrew Sessler director del laboratorio en 1973, durante la crisis del petróleo de 1973 . Estableció la División de Energía y Medio Ambiente en el Laboratorio, expandiéndose por primera vez a la investigación aplicada que abordaba los desafíos energéticos y ambientales que enfrentaba el país. [45] Sessler también se unió a otros físicos de Berkeley para formar una organización llamada Científicos por Sajarov, Orlov, Sharansky (SOS), que lideró un movimiento de protesta internacional llamando la atención sobre la difícil situación de tres científicos soviéticos que estaban siendo perseguidos por el gobierno de la URSS. [46]
Arthur Rosenfeld dirigió la campaña para impulsar la investigación sobre energía aplicada en el Laboratorio de Berkeley. Se hizo ampliamente conocido como el padre de la eficiencia energética y la persona que convenció a la nación de adoptar estándares energéticos para electrodomésticos y edificios. [47] Inspirado por la crisis del petróleo de 1973 , puso en marcha grandes esfuerzos en equipo que desarrollaron varias tecnologías que mejoraron radicalmente la eficiencia energética. Estos incluían lámparas fluorescentes compactas, refrigeradores de bajo consumo de energía y ventanas que atrapan el calor. Desarrolló los primeros estándares de eficiencia energética para edificios y electrodomésticos en California, lo que ayudó al estado a sostener un uso constante de electricidad per cápita de 1973 a 2006, mientras que aumentó un 50% en el resto del país. Este fenómeno se llama efecto Rosenfeld . [48] [49]
En 1980, George Smoot había formado un sólido grupo experimental en Berkeley, construyendo instrumentos para medir el fondo cósmico de microondas (CMB) con el fin de estudiar el universo primitivo. Se convirtió en el investigador principal del instrumento Radiómetro Diferencial de Microondas (DMR) que se lanzó en 1989 como parte de la misión Cosmic Background Explorer (COBE). Los mapas completos del cielo tomados por el DMR hicieron posible que los científicos del COBE descubrieran la anisotropía del CMB, y Smoot compartió el Premio Nobel de Física en 2006 con John Mather. [50] [51]
Charles V. Shank dejó Bell Labs para convertirse en director de Berkeley Lab en 1989, cargo que ocupó durante 15 años. Durante su mandato, cuatro de las cinco instalaciones nacionales para usuarios científicos comenzaron a operar en Berkeley y la quinta inició su construcción. [52]
El 5 de octubre de 1993, la nueva Fuente de Luz Avanzada produjo sus primeros rayos de luz de rayos X. [53] David Shirley había propuesto a principios de la década de 1990 construir esta nueva fuente de sincrotrón especializada en la obtención de imágenes de materiales utilizando rayos X desde ultravioleta extremo hasta rayos X suaves. En el otoño de 2001, una importante mejora añadió "superbends" para producir rayos X más duros para líneas de luz dedicadas a la cristalografía de proteínas.
En 1996, tanto el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) como la Red de Ciencias Energéticas (ESnet) se trasladaron del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore a su nuevo hogar en el Laboratorio Berkeley.[54] Restablecer NERSC en Berkeley requirió mover un Cray C90 , una supercomputadora con procesador vectorial de primera generación de 1991, e instalar un nuevo Cray T3E , el modelo de segunda generación (1995). La capacidad de cálculo del NERSC era de 350 GFlop/s, lo que representaba 1/200.000 de la velocidad del Perlmutter en 2022. Horst Simon llegó a Berkeley como el primer director del NERSC y pronto se convirtió en uno de los coeditores que gestionaban la lista Top500 de supercomputadoras, cargo que ha ocupado desde entonces.[55]
El Joint Genome Institute (JGI) se creó en 1997 para unir la experiencia y los recursos en mapeo genómico, secuenciación de ADN, desarrollo tecnológico y ciencias de la información que se habían desarrollado en los centros genómicos del DOE en Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) y Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL). El JGI se creó originalmente para trabajar en el Proyecto Genoma Humano (HGP) y generó las secuencias completas de los cromosomas 5, 16 y 19. En 2004, el JGI se estableció como una instalación de usuario nacional administrada por Berkeley Lab, centrándose en la amplia Necesidades genómicas de la biología y la biotecnología, especialmente aquellas relacionadas con el medio ambiente y la gestión del carbono. [56] [57]
El director del laboratorio, Shank, trajo a Daniel Chemla de Bell Labs al Berkeley Lab en 1991 para dirigir la recién formada División de Ciencia e Ingeniería de Materiales. En 1998, Chemla fue nombrado Director de la Fuente de Luz Avanzada para convertirla en una instalación científica de clase mundial. [58] En 2001, Chemla propuso el establecimiento de Molecular Foundry , para hacer que los instrumentos de vanguardia y la experiencia en nanotecnología sean accesibles a una amplia comunidad de investigación. Paul Alivisatos como Director Fundador, y los directores fundadores de las instalaciones fueron Carolyn Bertozzi , Jean Frechet , Steven Gwon Sheng Louie , Jeffrey Bokor y Miquel Salmeron. [59] El edificio Molecular Foundry se inauguró en 2006, con Bertozzi como director de fundición y Steven Chu como director de laboratorio. [60]
En la década de 1990, Saul Perlmutter dirigió el Proyecto de Cosmología de Supernovas (SCP), que utilizaba cierto tipo de supernovas como velas estándar para estudiar la expansión del universo. [61] El equipo de SCP co-descubrió la expansión acelerada del universo, lo que llevó al concepto de energía oscura , una forma desconocida de energía que impulsa esta aceleración. Perlmutter compartió el Premio Nobel de Física en 2011 por este descubrimiento. [62]
El 1 de agosto de 2004, el físico ganador del Nobel Steven Chu fue nombrado sexto director del Laboratorio Berkeley. [63] El DOE se estaba preparando para competir por el contrato de gestión y operaciones (M&O) para Berkeley Lab por primera vez, y la primera tarea de Chu fue liderar el equipo de la Universidad de California que presentó una oferta exitosa para ese contrato. [64] La duración inicial del contrato era del 1 de junio de 2005 al 31 de mayo de 2010, con posibles extensiones graduales para un desempeño de gestión superior hasta una duración total del contrato de 20 años. [sesenta y cinco]
En 2007, Berkeley Lab lanzó el Joint BioEnergy Institute , uno de los tres centros de investigación de bioenergía que recibió financiación del Programa de Ciencias Genómicas de la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental (BER) del DOE.[66] [67] El director ejecutivo de JBEI es Jay Keasling , quien fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ingeniería por desarrollar herramientas de biología sintética necesarias para diseñar el fármaco antipalúdico artemisinina. La Oficina de Ciencias del DOE nombró a Keasling miembro científico distinguido en 2021 por promover la estrategia del DOE en energía renovable. [68]
El 15 de diciembre de 2008, el recién elegido presidente Barack Obama nominó a Steven Chu para ser Secretario de Energía. [69] La Universidad de California eligió al subdirector del laboratorio, Paul Alivisatos , como nuevo director. [70] Alivisatos es un químico de materiales que ganó la Medalla Nacional de Ciencias por su trabajo pionero en el desarrollo de nanomateriales. [71] Continuó el enfoque del laboratorio en energías renovables y cambio climático.[72]
El DOE estableció el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP) como un Centro de Innovación Energética en 2010, [73] con el Instituto de Tecnología de California como institución líder y el Laboratorio Berkeley como socio principal. [74] El laboratorio construyó una nueva instalación para albergar los laboratorios del JCAP y el espacio de investigación colaborativa, y se dedicó como Chu Hall en 2015. [75] [76] Después de que JCAP operó durante diez años, en 2020 el equipo de Berkeley se convirtió en un importante asociarse en un nuevo Centro de Innovación Energética, Liquid Sunlight Alliance (LiSA), con la visión de establecer la ciencia necesaria para generar combustibles líquidos de manera económica a partir de luz solar, agua, dióxido de carbono y nitrógeno. [77]
El Laboratorio también es un socio importante en un segundo Centro de Innovación Energética, el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR), que se inició en 2013, con el Laboratorio Nacional Argonne como institución líder. [73] [78] El Laboratorio construyó una nueva instalación, el Laboratorio de Propósito General, para albergar laboratorios de almacenamiento de energía y espacios de investigación asociados, que el Secretario de Energía Ernest Moniz inauguró en 2014. [79] La misión de JCESR es ofrecer nuevas tecnologías transformadoras. conceptos y materiales que permitirán una diversidad de baterías de próxima generación de alto rendimiento para el transporte y la red.
El 12 de noviembre de 2015, el director del laboratorio Paul Alivisatos y el subdirector Horst Simon estuvieron acompañados por la presidenta de la Universidad de California, Janet Napolitano , el rector de la UC Berkeley, Nicholas Dirks , y la jefa del programa ASCR del DOE, Barb Helland, para dedicar un Shyh Wang Hall , una instalación diseñada para albergar las supercomputadoras y el personal de NERSC, el personal de ESnet y las divisiones de investigación en el área de Ciencias de la Computación. [80] El edificio fue diseñado con un novedoso piso sísmico para la sala de máquinas de 20,000 pies cuadrados, además de características que aprovechan el clima costero para proporcionar aire acondicionado energéticamente eficiente para los sistemas informáticos. [81] [82]
En 2015, Paul Alivisatos anunció que dejaría su cargo de director de laboratorio. Ocupó dos puestos de liderazgo en la Universidad de California, Berkeley, antes de convertirse en presidente de la Universidad de Chicago en 2021. [83] La Universidad de California seleccionó a Michael Witherell , ex director de Fermilab y vicerrector de Investigación de la Universidad de California. , Santa Bárbara como octavo director del Laboratorio Berkeley a partir del 1 de marzo de 2016. [84] En 2016, el Laboratorio entró en un período de modernización intensiva: una cantidad sin precedentes de proyectos importantes para mejorar las instalaciones científicas existentes y construir otras nuevas.
Los físicos del Laboratorio de Berkeley lideraron la construcción del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura , que está diseñado para crear mapas tridimensionales de la distribución de la materia que cubren un volumen sin precedentes del universo con un detalle incomparable. [85] El nuevo instrumento se instaló en el telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall modernizado en el Observatorio Nacional Kitt Peak en 2019. La misión de cinco años comenzó en 2021, y el mapa ensamblado con los datos tomados en los primeros siete meses ya estaba incluido. más galaxias que cualquier estudio anterior. [86]
El 27 de septiembre de 2016, el DOE aprobó la necesidad de la misión de ALS-U, un proyecto importante para actualizar la Fuente de Luz Avanzada que incluye la construcción de un nuevo anillo de almacenamiento y un anillo acumulador. [87] El tamaño horizontal del haz de electrones en ALS se reducirá de 100 micrómetros a unos pocos micrómetros, lo que mejorará la capacidad de obtener imágenes de nuevos materiales necesarios para las baterías y la electrónica de próxima generación. Con un costo total del proyecto de 590 millones de dólares, este es el proyecto de construcción más grande en el laboratorio desde que se construyó el ALS en 1993. [88]
Poco después de la muerte de Lawrence en agosto de 1958, el Laboratorio de Radiación de la UC, incluidos los sitios de Berkeley y Livermore, pasó a llamarse Laboratorio de Radiación Lawrence. La ubicación de Berkeley se convirtió en el Laboratorio Lawrence Berkeley en 1971, [89] [90] aunque muchos continuaron llamándolo RadLab. Poco a poco, se volvió de uso común otra forma abreviada, LBL. Su nombre formal se modificó a Laboratorio Nacional Ernest Orlando Lawrence Berkeley en 1995, cuando se agregó "Nacional" a los nombres de todos los laboratorios del DOE. Posteriormente se eliminó "Ernest Orlando" para acortar el nombre. Hoy en día, el laboratorio se conoce comúnmente como Berkeley Lab. [91]
La Universidad de California opera el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley bajo un contrato con el Departamento de Energía. El sitio consta de 76 edificios (propiedad del Departamento de Energía de EE. UU .) ubicados en 200 acres (0,81 km2 ) propiedad de la universidad en Berkeley Hills. En total, el Laboratorio cuenta con 3.663 empleados de la UC, de los cuales alrededor de 800 son estudiantes o posdoctorados, y cada año recibe a más de 3.000 científicos invitados participantes. Hay aproximadamente dos docenas de empleados del DOE estacionados en el laboratorio para brindar supervisión federal del trabajo del Laboratorio de Berkeley para el DOE. El director del laboratorio, Michael Witherell, es designado por los regentes de la universidad y depende del rector de la universidad. Aunque Berkeley Lab está gobernado por la UC independientemente del campus de Berkeley, las dos entidades están estrechamente interconectadas: [92] más de 200 investigadores del Berkeley Lab tienen nombramientos conjuntos como profesores de UC Berkeley.
El presupuesto del laboratorio fue de $1,170 millones de dólares en el año fiscal 2022, mientras que las obligaciones totales fueron de $1,450 millones. [1]
