באפריל 1942 הצטרף ברנל למטה מבצעים משולבים, יחידה במשרד המלחמה הבריטי, על פי בקשתו של מפקד היחידה, סגן אדמירל לואי מאונטבאטן. תפקידה העיקרי של יחידה זו היה ליזום פשיטות נגד הכוחות הגרמנים באירופה על ידי כוחות קומנדו, תוך שילוב בין זרועות היבשה, הים והאוויר. למרות הרקע השונה מאוד בין ברנל, הקומוניסט האירי, לבן המלוכה (מאונטבאטן היה בן דודו של ג'ורג' השישי מלך בריטניה), חובב המכוניות המהירות ומשחקי הפולו, נוצרו ביניהם יחסי חיבה והערכה הדדית. ברנל לא היה המדען היחיד שמאונטבאטן צירף למבצעים משולבים. יחד עם ברנל צורף לצוות גם סולי צוקרמן, שמתחילה המלחמה עבד ב"ועדת המחקר של ההגנה האזרחית" יחד עם ברנל, וקדם להם ג'פרי פייק (Geoffrey Pike), ממציא יהודי אקסצנטרי שהוצע למאונטבאטן על ידי השר לאופולד אמרי. מאונטבאטן הורה לקציניו לשתף את צוות המדענים בכל דיון מבצעי מההתחלה, על מנת שאם תעלה שאלה שתופנה אליהם הם יוכלו לראות את התמונה המלאה. בפועל התייחסו קציניו של מאונטבאטן בחשדנות מה לאזרחים שצורפו אליהם וניסו להיעזר בהם לשם ייעוץ טכני בלבד. ברנל שותף במידה מוגבלת בתכנון של הפשיטה על דייפ (הוא התבקש לעזור בהערכת שיפוע החוף) שהתבצעה ב-19 באוגוסט 1942. היה זה המבצע הגדול ביותר של מטה מבצעים משולבים, ניסיון להנחית דיוויזיה קנדית על מנת להשתלט על הנמל הצרפתי, והוא נכשל כישלון חרוץ. ניסיון הנחיתה נתקל בהתנגדות גרמנית עזה ומאורגנת היטב. מתוך 4,000 החיילים שנחתו על החוף הצליחו לחזור לאנגליה רק כ-1,000, השאר נהרגו או נפלו בשבי. יחד עם אחרים עסקו ברנל וצוקרמן אחר כך במחקר על הסיבות לכישלון. המסקנות אליהם הגיעו החוקרים הצביעו על כך שתכנון המבצע היה לקוי באופן חמור.
פרויקט חבקוק – שלב א'.
ביוני 1942, חודשיים לפני הפשיטה על דייפ, העלה ג'פרי פייק רעיון מהפכני. בתקופה זו היוו הצוללות הגרמניות איום של ממש על התעבורה הימית בין ארצות הברית לבריטניה. האמצעי הטוב ביותר נגדן היו מטוסים, אלא שהמרחק הגדול בין שתי המדינות מנע אפשרות של סיורים בלתי פוסקים לאורך כל הנתיב הימי. הפתרון שהעלה פייק לכך הוא להכין משטח נחיתה גדול מקרח באמצע הדרך, שעליו יוכלו המטוסים לנחות, לתדלק ולהמריא שוב. למשטח קרח היה היתרון שלא ניתן להטביעו בהיותו קל מהמים, אבל הבעיה הייתה שקרח הוא חומר שברירי והוא מתנפץ לרסיסים כשהוא נפגע בהפצצה. על מנת ליישם את הרעיון היה צריך למצוא דרך לחזק את הקרח. את הפתרון לבעיה זו סיפק הרמן מארק, כימאי וקריסטלוגרף אוסטרי ממוצא יהודי שלימד באוניברסיטת וינה ונמלט לקנדה כשהנאצים סיפחו את אוסטריה ולאחר שנתיים עבר לארצות הברית. מארק, שהיה מכר ותיק של ברנל, נפגש על פי בקשתו של ברנל עם פייק, ששהה אז בארצות הברית. פייק סיפר לו על הרעיון ועל הבעיה, ומארק הציע, על פי ניסיונו בתעשיית העץ, להוסיף נסורת בכמות קטנה (כארבעה אחוז מהתערובת) לקרח, כדי לקבל חומר חזק בהרבה מקרח נקי. פייק כתב למאונטבאטן תזכיר ארוך ובו העלה את רעיון משטח הנחיתה, אותו כינה "חבקוק". לאחר שברנל תמצת לו את ההצעה החליט מאונטבאטן, שמעמדו התערער מאוד בעקבות כישלון הפשיטה על דייפ, שפרויקט חבקוק יכול לקדם את מעמדו ואישר להתחיל בפרויקט. באוקטובר 1942 הוטלה בדיקת תכונות התערובת על מקס פרוץ, שחזר למעבדת קוונדיש במרץ 1941 ממאסר וגלות בקנדה בשל היותו נתין אוסטרי. הצוות שלו אימת את תכונות החומר כפי שתיאר אותם מארק וכינה אותו פייקריט (Pykrete), על שם בעל רעיון הפרויקט. באמצעות ניסיונות גילה הצוות שהתערובת בעלת החוזק הגדול ביותר מורכבת מ-14% נסורת ו-86% מים.
הרעיון הובא לידיעתו של וינסטון צ'רצ'יל והלה התלהב מהשלכותיו והורה לסייע לצוות של מאונטבאטן בפרויקט. על ברנל הוטל לבצע את המחקר והפיתוח של פרויקט חבקוק. ברנל תמך בפרויקט ותבע ראשית לבצע ניסוי ייצור בקנה מידה מלא של הספינה בקנדה, שהייתה מקור טבעי הן לקרח והן לעץ. מטרת הניסוי הייתה לגלות את הבעיות בטרם ייגשו לבניית הספינה הראשונה, שכן לאיש לא היה עדיין ניסיון עם בנייה בקרח בקנה מידה גדול. צוות פרויקט חבקוק נפגש לראשונה ב-7 בינואר 1943 וכלל את פייק, ברנל, מאונטבאטן ולינדמן. בעקבות הפגישה העלה ברנל בכתב את ההצעה ובה הניח כי אם יבוצע הניסוי כפי שהציע, ניתן יהיה להשיק את ספינת הקרח הראשונה ב-1944. אלא שהצעה זו הייתה הפעילות האחרונה של ברנל בנושא פרויקט חבקוק למשך כמה חודשים, מכיוון שהוא וצוקרמן נשלחו למזרח התיכון.
המזרח התיכון.
בתחילת נובמבר 1942 הביס הצבא הבריטי בפיקודו של פילדמרשל ברנרד לו מונטגומרי את ארמיית פנצר אפריקה (שהורכבה בעיקר מקורפוס אפריקה, כוחות חי"ר גרמנים ואיטלקים ויחידות ממוכנות איטלקיות) בפיקודו של ארווין רומל בקרב אל-עלמיין השני. למרות עליונות אווירית מוחלטת של חיל האוויר המלכותי הצליח רומל להימלט משדה המערכה עם חלקים גדולים מצבאו. היה ברור ששיתוף הפעולה בין הצבא הבריטי לחיל האוויר המלכותי לוקה בחסר, וברנל וצוקרמן נשלחו לחקור את העניין ולהציע המלצות. נושאי המחקר נקבעו בפגישה בין כל היועצים המדעיים של הצבא הבריטי (שהיו ברובם מכרים ותיקים של ברנל מקיימברידג') ב-15 בדצמבר 1942. צוקרמן נכח בפגישה, אך לא דיבר. היה ברור שברנל היה אחראי על המשימה שהוגדרה על ידי הצבא כ"מחקר ממקור ראשון על השפעת ההפצצות הבריטיות על מטרות שונות" ונועדה להימשך כשישה שבועות. השניים טסו מאנגליה לקהיר ב-15 בינואר 1943. הם קיבלו מידע רב מהקצינים הבריטים בקהיר, בהם ג'ון קנדרו. בקהיר חיכה לברנל מברק ממאונטבאטן. הלה הצליח לשכנע את מפקדי שאר זרועות הצבא לתמוך בפרויקט חבקוק והורה לברנל לטוס מיד לקנדה על מנת להתחיל לפקח על ביצוע השלב הראשון בפרויקט. הוראה זו הציבה את ברנל בפני דילמה. מצד אחד הוא טרם החל לבצע את המשימה שבגינה הגיע למזרח התיכון, אך מצד שני הוא לא יכול היה להתעלם ממפקדו, מה עוד שידע שתמיכתו של צ'רצ'יל נתונה לו, ולכן לא אמר דבר לצוקרמן.
השניים טסו מקהיר לטריפולי שבלוב שנכבשה זמן קצר לפני כן מידי הגרמנים, שהטביעו ספינות בנמל על מנת להפכו לבלתי שמיש. הנמל עצמו הופגז מן הים והופצץ מן האוויר על ידי הבריטים פעמים רבות בשנתיים שלפני כן ועל ברנל הוטל לבחון את הנזק ולקבוע את האשמים. אחרי כמה ימים שבהם הצליחו השניים לשכנע את אנשי הצבא, שהיו תחילה עוינים, ביכולתם לתרום ונקבעו שיטות העבודה, החליט ברנל לספר לצוקרמן שהוא עוזב. במכתב לג'ון קנדרו 30 שנה אחר כך כתב צוקרמן כי "הוא היה מבועת שהושארה לו לבצע משימה שהיה ברור לו שהייתה שייכת לברנל". ברנל אומנם חש כי עשה כמיטב יכולתו, אבל סולי צוקרמן נפגע ממעשה זה ומכאן ואילך נוצר קרע בין השניים שלא אוחה עד מותו של ברנל. ברנל טס לקהיר בחזרה ואחרי סבב פגישות עם אנשי צבא בקהיר, כתב מכתב התנצלות לצוקרמן, בו הוסיף מידע על אנשי קשר חשובים שפגש, בייחוד ג'ון קנדרו, שהיה אחראי על חקר ביצועים של חיל האוויר המלכותי בכל המזרח התיכון. משם המריא ברנל והגיע לניו יורק ב-28 בפברואר 1943.
פרויקט חבקוק – שלב ב'.
בניו יורק נפגש ברנל עם פייק והשניים המריאו לקנדה על מנת לחזות בניסיונות השונים שעשו הקנדים בבניית מודלים מפייקריט ובבדיקת עמידותם לירי. בהדרגה התברר כי חיסרון רציני מאוד בתוכנית הוא נטייתו של הקרח (גם כשהוא מעורב בנסורת) לזרום באטיות תחת לחץ כפי שקורה בקרחונים. היה צריך להגדיל מאוד את החיזוקים במוטות פלדה ולהוסיף שכבת בידוד על מנת למנוע מהקרח להתחמם. המחיר של נושאת המטוסים מפייקריט החל לטפס הרבה מעבר להערכה הראשונית. על אף שברנל ופייק ניסו ללחוץ על הקנדים לזרז את הקמת המודל הראשוני, על מנת לקבל החלטה סופית לגבי ישימות הפרויקט, עבדו הקנדים בצורה זהירה ואטית. במאי 1943 כבר היה חם מדי לבניית דגם ראשוני מקרח, ולא היה טעם בהמשך הניסויים. במצב עניינים זה הגיעו ברנל ופייק למסקנה שספינת חבקוק מבצעית ראשונה לא תהיה מוכנה ב-1944. ב-16 במאי 1943 חזר ברנל לאנגליה.
באוגוסט 1943 הצטרף ברנל, כחלק מהצוות של מאונטבאטן, למשלחת לוועידת קוויבק. המשלחת שכללה את וינסטון צ'רצ'יל, חלק מהממשלה הבריטית ואנשי צבא רבים, כולל ראשי המטות, הפליגה מבריטניה לקנדה. במהלך השיט כינה מאונטבאטן את ברנל "המומחה הגדול בעולם לנמלים מלאכותיים" וביקש שיציג את רעיון נמל מאלברי (ראו בפרק הבא) בפני ראשי הצבא. צ'רצ'יל ששמע על הפגישה ביקש לפגוש את ברנל בעצמו על מנת לשמוע פרטים על התוכנית. יומיים אחר כך הציג ברנל בפני ראשי הצבא את הרעיונות בדבר פרויקט חבקוק והם החליטו להמשיך את הפרויקט ואף לתת לו עדיפות גבוהה. אחת ההחלטות שנתקבלו בוועידת קוויבק, הייתה אישור הפלישה לנורמנדי בתחילת קיץ 1944 וקביעה שבראשה יעמוד מפקד אמריקני, הגנרל דווייט אייזנהאואר. ברנל התבקש לבדוק את מצב חופי הנחיתה ואת היכולת למקם בהם את הנמלים המלאכותיים. ביום האחרון של הפגישה הזמין צ'רצ'יל את ברנל להציג בפני נשיא ארצות הברית, פרנקלין דלאנו רוזוולט, את התכונות המיוחדות של הפייקריט. למרות ההתלהבות הראשונית שהפגינו ראשי המטות מהיכולת של הפייקריט שהציג להם ברנל, הלכה והתגברה התנגדות בין אנשי הצבא (בייחוד האמריקנים) לפרויקט חבקוק, ובדצמבר 1943 הוחלט לסגור את הפרויקט בנימוק של עלות גבוהה וקשיים הנדסיים.