Εθνικό Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ

Το Εθνικό Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL ή LBL), αναφερόμενο συχνά απλώς ως Εργαστήριο του Μπέρκλεϋ (Berkeley Lab), είναι ομοσπονδιακό ερευνητικό κέντρο επιστήμης και τεχνολογίας των ΗΠΑ που βρίσκεται στην περιοχή των Λόφων Μπέρκλεϋ, πάνω από την ομώνυμη πόλη, στην Καλιφόρνια. Υπάγεται στο Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, ενώ διοικείται από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας. Δώδεκα άνθρωποι που εργάσθηκαν κατά καιρούς στο Εργαστήριο έχουν τιμηθεί με Βραβείο Νόμπελ.

Οι εγκαταστάσεις του κέντρου απλώνονται σε μία έκταση 810 στρεμμάτων, που ανήκει στο Πανεπιστήμιο. Το LBNL έχει ετήσιο προϋπολογισμό ύψους 803 εκατομμυρίων δολαρίων και απασχολεί 3.304 επιστήμονες, 4.000 περίπου εργαζόμενους του Πανεπιστημίου και 800 πειραματιζόμενους φοιτητές (στοιχεία του 2016).

Ιστορία
Το LBNL ιδρύθηκε στις 26 Αυγούστου 1931 από τον τριαντάχρονο τότε Έρνεστ Λώρενς υπό την επωνυμία Εργαστήριο Ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, συνδεδεμένο με το Τμήμα Φυσικής του πανεπιστημίου αυτού. Αρχικώς το εργαστήριο επικέντρωνε την έρευνά του στη φυσική γύρω από τη νέα τότε εφεύρεση του Λώρενς, το κύκλοτρο, έναν τύπο επιταχυντή σωματιδίων για τον οποίο πήρε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1939.

Σε όλη τη δεκαετία του 1930 ο Λώρενς πίεζε για την κατασκευή όλο και μεγαλύτερων διατάξεων για την έρευνα στη φυσική, Υπήρξε ο πρώτος που συγκέντρωσε μία μεγάλη ομάδα επιστημόνων για την ανάπτυξη μεγάλων προγραμμάτων που θα επέφεραν ανακαλύψεις στο πεδίο της βασικής επιστημονικής έρευνας. Τελικώς αυτές οι πειραματικές διατάξεις έγιναν πολύ μεγάλες για να φιλοξενούνται στην πανεπιστημιόπολη και το 1940 το Εργαστήριο Ακτινοβολίας μετακόμισε στη σημερινή του θέση, στην κορυφή του λόφου πάνω από το Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ.

Η ομάδα που συστάθηκε εκείνη την εποχή περιελάμβανε δύο άλλους νέους επιστήμονες, οι οποίοι με τη σειρά τους αργότερα θα ίδρυαν μεγάλα εργαστήρια: ο Ρόμπερτ Οπενχάιμερ το Εργαστήριο του Λος Άλαμος και ο Ρόμπερτ Ρ. Γουίλσον το Φέρμιλαμπ.  

Ο Λέσλι Γκρόουβς επισκέφθηκε το Εργαστήριο Ακτινοβολίας στα τέλη του 1942, όταν οργάνωνε το «Πρόγραμμα Μανχάταν» και εκεί πρωτοσυνάντησε τον Οπενχάιμερ, στον οποίο ανέθεσε την οργάνωση και διεύθυνση της προσπάθειας για την ανάπτυξη της πρώτης πυρηνικής «(ατομικής)» βόμβας. Ο Οπενχάιμερ ίδρυσε το σημερινό Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό για να κρατηθεί ευκολότερα μυστική η έρευνα.

Στο μεταξύ, στο Εργαστήριο Ακτινοβολίας του Μπέρκλεϋ ο Λώρενς και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν τη μέθοδο του ηλεκτρομαγνητικού διαχωρισμού ισοτόπων για τον εμπλουτισμό ουρανίου, εφαρμόζοντας την εμπειρία τους με το κύκλοτρο. Τα «κάλουτρα» (calutrons, από το CALifornia University) έγιναν η βασική διάταξη-συσκευή του μεγάλου Συγκροτήματος Y-12 στο Όουκ Ριτζ του Τενεσή. Το εργαστήριο του Λώρενς συνεισέφερε και στις τρεις θεωρούμενες ως πλέον πολύτιμες τεχνολογίες του Β΄ Παγκόσμιου Πολέμου: την ατομική βόμβα, το εμπύρευμα εγγύτητας και το ραντάρ. Το κύκλοτρο, του οποίου η κατασκευή είχε σταματήσει κατά τη διάρκεια του πολέμου, ολοκληρώθηκε τον Νοέμβριο του 1946. Το Πρόγραμμα Μανχάταν σταμάτησε δύο μήνες αργότερα.

Μεταπολεμικά το Εργαστήριο Ακτινοβολίας έγινε ένα από τα πρώτα εργαστήρια που ενσωματώθηκε στην Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας των ΗΠΑ (το σημερινό Υπουργείο Ενέργειας). Οι πιο απόρρητες έρευνες παρέμειναν στο Λος Άλαμος, αλλά το Berkeley Lab συνέχισε να δραστηριοποιείται σχετικά. Ο Έντουαρντ Τέλερ πρότεινε τη δημιουργία ενός νέου εργαστηρίου παρόμοιου με αυτό του Λος Άλαμος, που θα το συναγωνιζόταν. Δημιουργήθηκε έτσι, αρχικώς ως παράρτημα, το σημερινό Εθνικό Εργαστήριο Λώρενς στο Λίβερμορ το 1952. Κάποιες από τις έρευνες μεταφέρθηκαν στο νέο εργαστήριο, αλλά κάποιες απόρρητες έρευνες συνεχίσθηκαν στο Εργαστήριο του Μπέρκλεϋ μέχρι τη δεκαετία του 1970, οπότε και μετατράπηκε σε εργαστήριο αφιερωμένο αποκλειστικά σε μη στρατιωτικές έρευνες.

Λιγότερο από έναν μήνα μετά τον θάνατο του Λώρενς, τον Αύγουστο του 1958, το συμβούλιο ιδρύματος του πανεπιστημίου ονόμασε αμφότερα τα πυρηνικά του εργαστήρια προς τιμή του «Εργαστήριο Ακτινοβολίας Λώρενς». Το αρχικό εργαστήριο μετονομάσθηκε το 1971 σε Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ, παρότι αρκετοί συνέχισαν να το αποκαλούν «RadLab» (= «Εργαστήριο Ακτινοβολίας») για συντομία, ώσπου βαθμιαία συνήθισαν τα ακόμα συντομότερα αρχικά LBL. Η πλήρης επίσημη ονομασία τροποποιήθηκε σε «Εθνικό Εργαστήριο Έρνεστ Ορλάντο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ» (Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory) το 1995, οπότε το επίθετο «Εθνικό» προστέθηκε στις ονομασίες όλων των εργαστηρίων του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Αργότερα οι λέξεις «Ernest Orlando» παραλείφθηκαν για τη συντόμευση της ονομασίας.

Τα «Σημειώματα Φυσικής του Άλβαρεζ» (Alvarez Physics Memos) είναι ένα σύνολο πρόχειρων σημειώσεων εργασίας μιας μεγάλης ομάδας φυσικών, μηχανικών, προγραμματιστών υπολογιστών και τεχνικών με επικεφαλής τον Λούις Γουόλτερ Άλβαρεζ από το 1952 μέχρι τον θάνατό του το 1988. Πάνω από 1.700 σημειώματα είναι σήμερα διαθέσιμα on-line, στον ιστότοπο του Εργαστηρίου.

Διατελέσαντες διευθυντές του Εργαστηρίου
 1931–1958: Έρνεστ Λώρενς
 1958–1972: Έντουιν Μ. ΜακΜίλαν
 1973–1980: Άντριου Σέσλερ
 1980–1989: Ντέιβιντ Σίρλεϋ
 1989–2004: Τσαρλς Β. Σανκ
 2004–2008: Στήβεν Τσου
 2009–2016: Πωλ Αλιβιζάτος
 2016–σήμερα: Μάικλ Γουίδερελ

Επιστημονική αποστολή και εγκαταστάσεις
Από τη δεκαετία του 1950 μέχρι σήμερα το Εθνικό Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ έχει διατηρήσει τον χαρακτηρισμό του ως ένα μείζον διεθνές κέντρο ερευνών στη φυσική, και επιπλέον έχει επεκτείνει τα ερευνητικά του προγράμματα και σε πολλές άλλες επιστήμες: Οι 20 επιστημονικοί Τομείς του είναι οργανωμένοι σε 6 ερευνητικά πεδία: Υπολογιστικές επιστήμες, Βασική Φυσική, Γεωεπιστήμες και περιβαλλοντικές επιστήμες, Βιοεπιστήμες, Επιστήμες και Τεχνολογίες της ενέργειας. Ο Λώρενς πίστευε ότι η επιστημονική έρευνα διεξάγεται καλύτερα με ομάδες ειδικών διαφορετικών πεδίων που εργάζονται μαζί. Η ιδέα του αυτή για την ομαδική εργασία απετέλεσε μία παράδοση του Εργαστηρίου που συνεχίζεται και σήμερα.

Το Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ λειτουργεί 5 μεγάλες εγκαταστάσεις, οι οποίες υπάγονται στο Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, τις εξής:

 Προηγμένη Πηγή Φωτός (Advanced Light Source, ALS): Μια πηγή ακτινοβολίας συγχρότρου με 41 δέσμες ακτίνων, οι οποίες παρέχουν υπεριώδες φως και ακτίνες Χ (χαμηλής και υψηλής ενέργειας) σε επιστημονικά πειράματα. Η ALS είναι μία από τις ισχυρότερες πηγές μαλακών ακτίνων Χ στον κόσμο, με χρήσεις όπως ο προσδιορισμός της ηλεκτρονιακής δομής των υλικών και η αποκάλυψη μικροδομών χαρακτηριστικών για στοιχεία και χημικές ενώσεις. Κάθε χρόνο περίπου 2.500 επιστήμονες διεξάγουν έρευνα στην ALS. 
 Συμμετοχικό Ινστιτούτο Γονιδιώματος (Joint Genome Institute, JGI):  Υποστηρίζει έρευνες γονιδιώματος με βάση τους στόχους του Υπουργείου Ενέργειας στην εναλλακτική ενεργεια, την ανακύκλωση του άνθρακα παγκοσμίως και τη διαχείριση περιβάλλοντος. Τα εργαστήρια που συμμετέχουν στο JGI είναι το Εθνικό Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ, το Εθνικό Εργαστήριο Λώρενς στο Λίβερμορ (LLNL), το Εθνικό Εργαστήριο του Όουκ Ριτζ (ORNL), το Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικής Ακτής του Ειρηνικού (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) και το Ινστιτούτο Βιοτεχνολογίας HudsonAlpha. Ως κεντρικός στόχος του JGI αναφέρεται η ανάπτυξη ποικιλίας πειραματικών και υπολογιστικών δυνατοτήτων μεγάλης κλίμακας, ώστε να συνδέει γονιδιακές ακολουθίες με βιολογικές δυνατότητες σχετικές με τις έρευνες πάνω στην ενέργεια και στο περιβάλλον. Περί τους 1.200 επιστήμονες εκμεταλλεύονται τις εγκαταστάσεις του JGI για τις έρευνές τους κάθε χρόνο.
 Μοριακό Χυτήριο (Molecular Foundry): Μια εγκατάσταση διεπιστημονικών ερευνών στις νανοεπιστήμες, που παρέχει στους χρήστες της πρόσβαση σε όργανα αιχμής και έμπειρο τεχνικό προσωπικό. Τα επτά επιμέρους εργαστήρια που φιλοξενεί εστιάζουν πάνω στην Απεικόνιση και Χειρισμό των νανοδομών, στη Νανοκατασκευή, στη Θεωρία των νανοϋλικών, στις Ανόργανες νανοδομές, στις Βιολογικές νανοδομές, στην Οργανική και Μακρομοριακή σύνθεση, και στην Ηλεκτρονική Μικροσκοπία. Περίπου 700 επιστήμονες-χρήστες εργάζονται στο «Χυτήριο» κάθε χρόνο.
 Εθνικό Επιστημονικό Υπολογιστικό Κέντρο Ενεργειακών Ερευνών (National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC): Υπολογιστική εγκατάσταση που παρέχει μεγάλης κλίμακας υπολογισμούς για τα μη απόρρητα ερευνητικά προγράμματα του Υπουργείου Ενέργειας. Τα σημερινά συστήματά του παρέχουν πάνω από 3 δισεκατομμύρια υπολογιστικές ώρες ετησίως και υποστηρίζουν 6 χιλιάδες επιστημονικούς χρήστες από πανεπιστήμια, εθνικά εργαστήρια και βιομηχανίες.
 Δίκτυο Επιστημών Ενέργειας (Energy Sciences Network, ESnet): Μία υποδομή δικτύου υψηλών ταχυτήτων βελτιστοποιημένη για πολύ μεγάλες ροές επιστημονικών δεδομένων. Το ESNet παρέχει συνδέσεις οπτικών ινών με όλες τις μεγάλες εγκαταστάσεις του Υπουργείου Ενέργειας από τις οποίες μεταφέρονται περίπου 35 PB (πεταμπάυτ, τετράκις εκατομμύρια Bytes) κάθε μήνα.

Το Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ είναι επιπλέον ο κυριότερος συμμετέχων στο Συμμετοχικό Ινστιτούτο Βιοενέργειας (Joint BioEnergy Institute, JBEI), που βρίσκεται στο Έμερυβιλ της Καλιφόρνιας. Το JBEI έχει ως βασικό σκοπό την προώθηση της αναπτύξεως της επόμενης γενιάς υγρών βιοκαυσίμων, δηλαδή καυσίμων που παράγονται από την ηλιακή ενέργεια και αποθηκεύονται σε φυτική βιομάζα. Είναι ένα από τα τρία νέα Ερευνητικά Κέντρα Βιοενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Μεγάλο ρόλο διαδραματίζει το Εργαστήριο στο Συμμετοχικό Κέντρο Τεχνητής Φωτοσυνθέσεως (Joint Center for Artificial Photosynthesis, JCAP), που αναζητεί μια φθηνή μέθοδο παραγωγής καυσίμων με χρήση μόνο του ηλιακού φωτός, νερού και διοξειδίου του άνθρακα ως πρώτων υλών. Εδώ ο επικεφαλής συμμετέχων είναι το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια. Συμμετέχει επίσης στο Συμμετοχικό Κέντρο Ερευνών Αποθηκεύσεως Ενέργειας (Joint Center for Energy Storage Research, JCESR), που έχει σκοπό να αναπτύξει μπαταρίες επόμενης γενιάς για τη μεταμόρφωση των μεταφορών και του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας..

Σημαντικά επιστημονικά επιτεύγματα
Μεταξύ των επιστημονικών επιτευγμάτων του Εργαστηρίου Λώρενς στο Μπέρκλεϋ κορυφαία θέση κατέχουν η πειραματική ανίχνευση του αντιπρωτονίου, η ανακάλυψη/σύνθεση αρκετών υπερουράνιων στοιχείων της ύλης και η παρατηρησιακή ανακάλυψη της επιταχύνσεως της διαστολής του Σύμπαντος.

Από την ίδρυση του Εργαστηρίου μέχρι σήμερα, 12 ερευνητές του έχουν τιμηθεί με Βραβείο Νόμπελ. Πρόκειται για τους Έρνεστ Λώρενς, Γκλεν Θ. Σίμποργκ, Έντουιν Μ. ΜακΜίλαν, Όουεν Τσάμπερλεϊν, Εμίλιο Τζίνο Σεγκρέ, Ντόναλντ Γκλέιζερ, Μέλβιν Κάλβιν, Λούις Γ. Αλβαρέζ, Γιουάν Τ. Λη, Στήβεν Τσου, Τζωρτζ Σμουτ και Σωλ Περλμούτερ.

Επιπλέον, εβδομήντα επιστήμονες του Εργαστηρίου είναι μέλη της αμερικανικής Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, κάτι που αποτελεί μία από τις μεγαλύτερες τιμές για έναν επιστήμονα στις ΗΠΑs. Δεκατρείς επιστήμονες του Εργαστηρίου του Μπέρκλεϋ έχουν τιμηθεί με το Εθνικό Μετάλλιο Επιστήμης, που είναι η ανώτατη τιμητική διάκριση του έθνους για τη συνολική συμβολή ενός ανθρώπου σε τομέα της επιστημονικής έρευνας. Από τους μηχανικούς του Εργαστηρίου, 18 έχουν εκλεγεί μέλη της Εθνικής Ακαδημίας Μηχανικών, ενώ τρεις επιστήμονές του έχουν εκλεγεί στην Εθνική Ακαδημία Ιατρικής.

Χημικά στοιχεία της ύλης που έχουν ανακαλυφθεί από φυσικούς του Εργαστηρίου είναι τα άστατο, ποσειδώνιο, πλουτώνιο, κιούριο, αμερίκιο, μπερκέλιο (ονομασμένο προς τιμή της πόλεως του Μπέρκλεϋ, που φιλοξενεί το Εργαστήριο), καλιφόρνιο (ονομασμένο προς τιμή του Πανεπιστημίου και της πολιτείας που φιλοξενούν το Εργαστήριο), αϊνσταΐνιο, φέρμιο, μεντελέβιο, νομπέλιο, λωρένσιο(ονομασμένο προς τιμή του ιδρυτή του Εργαστηρίου), ντούμπνιο και σιμπόργκιο. Το τελευταίο ονομάσθηκε προς τιμή του Γκλεν Θ. Σίμποργκ: ο Σίμποργκ ήταν ο βασικός επιστήμονας που συμμετέσχε στην ανακάλυψή των παραπάνω στοιχείων. Επιπλέον, το στοιχείο τεχνήτιο ανακαλύφθηκε μετά την παράδοση από τον Λώρενς στον Εμίλιο Σεγκρέ μιας ταινίας από μολυβδαίνιο, ενσωματωμένης στο κύκλοτρο του εργαστηρίου.

Εφευρέσεις που προήλθαν από το Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ ήταν επίσης και οι ακόλουθες: «έξυπνοι» υαλοπίνακες (τζάμια) με ενσωματωμένα ηλεκτρόδια που ανταποκρίνονται σε μεταβολές του φωτισμού, συνθετικά γονίδια για «υπερφάρμακα» κατά της ελονοσίας και του AIDS, ηλεκτρονικά έρματα για οικονομικότερο φωτισμό, ένας δειγματολήπτης DNA (το «PhyloChip») και η Θερμάστρα Darfur, που καταναλώνει μόνο το 1/4 της ποσότητας ξύλου που χρειάζεται μια συνηθισμένη ξυλόσομπα.

Μία σημαντική ανακάλυψη βασικής επιστήμης, που δεν έχει άμεση σχέση με πυρηνική φυσική και προήλθε από προσωπικό του Εργαστηρίου ήταν η σκοτεινή ενέργεια: Τον προηγούμενο αιώνα, αστρονόμοι και φυσικοί του κέντρου δημιούργησαν το Πρόγραμμα Κοσμολογίας Υπερκαινοφανών (SCP), που συνίστατο στη χρήση των υπερκαινοφανών αστέρων Τύπου Ia για τη μέτρηση του ρυθμού διαστολής του Σύμπαντος τα τελευταία δισεκατομμύρια έτη. Η επιτυχημένη μέθοδός τους ενέπνευσε συναγωνισμό, από την Ομάδα Υπερκαινοφανών Υψηλού Z στην Αυστραλία, και το αποτέλεσμα της άμιλλας ήταν πως στις αρχές του 1998 αμφότερες οι ομάδες ανεκοίνωσαν την εκπληκτική ανακάλυψη ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται. Η αιτία της επιταχύνσεως αποκλήθηκε εναλλακτικά σκοτεινή ενέργεια, πέμπτη δύναμη ή πίεση του κενού χώρου, και ταυτίζεται με την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν.

Ο Άρθουρ Ρόζενφελντ, επιστήμονας στο Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ, υπήρξε ο κορυφαίος κήρυκας της εξοικονομήσεως ενέργειας στις ΗΠΑ από το 1975 μέχρι τον θάνατό του το 2017. Ηγήθηκε προσπαθειών στο Εργαστήριο που ανέδειξαν αρκετές τεχνολογίες πολύ αυξημένης αποδοτικότητας: συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού, ψυγεία χαμηλής ενέργειας και παράθυρα που παγιδεύουν τη θερμότητα. Μόνος του ίδρυσε το «Κέντρο Οικοδομικής Επιστήμης» στο Εργαστήριο, τον σημερινό Τομέα Κατασκευαστικής Τεχνολογίας και Αστικών Συστημάτων (Building Technology and Urban Systems Division). Ανέπτυξε τα πρώτα πρότυπα ενεργειακής αποτελεσματικότητας για κτήρια και συσκευές στην πολιτεία (Καλιφόρνια). Ο Τομέας Ενεργειακής Αποδοτικότητας και Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων του Εργαστηρίου συνεχίζει να θεμελιώνει ερευνητικά τα εθνικά πρότυπα ενεργειακής αποτελεσματικότητας.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 Επίσημος ιστότοπος
 
 
 
 

Ερευνητικά κέντρα στις ΗΠΑ
Επιστήμες και τεχνολογία στην Καλιφόρνια