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“大科学装置”的产业化发展

来源:华高莱斯 时间:2021-11-03 次浏览




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“大科学装置”的时代




当下的科学探索,已经越来越依赖“大科学装置”了。


2017年,三位科学家因为探测到引力波而获得了诺贝尔物理学奖。为了探测引力波的存在,科学家们打造了巨型装置LIGO(激光干涉引力波观测站)——管臂长达4千米的干涉仪,内部能让光路反射400次,激光光路长达1600千米。



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激光干涉引力波观测站 

图片来源:commons.wikimedia@The Virgo collaboration


同样,探测中微子的日本科学家之所以能够获得重大发现,也是依赖“大科学装置”:

科学家们在日本岐阜县连续建造了一个比一个大的探测器——神冈、超级神冈、顶级神冈。


由此,日本物理学家小柴昌俊借助“神冈探测器”捕获到超新星中微子,荣获2002年诺贝尔物理学奖;他的弟子梶田隆章则借助“神冈探测器的升级版——超级神冈探测器”发现了中微子振荡现象,因而获得了2015年诺贝尔物理学奖。


目前正在建设的顶级神冈探测器,则更是大大超越了前两个探测器——将史无前例地安装26万吨纯水和约50000支20英寸(1英寸=2.54厘米)的光电倍增管。上述两个例子只是目前科学研发中的一小部分。


在科学领域中,越来越多的探索,需要借助越来越重型化的科学设备,比如同步辐射光源、稳态强磁场实验装置等等。



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神冈探测器 

图片来源:flickr @nvslive @hibikiw



与科学探索重型化相对应的是科学城的建设也越来越“重型化”。

正如在本书开篇文章中所提到的:规划建设有“大科学装置”的“重装科学城”是目前科学中心城市建设的重要特点之一。对于这些“重装科学城”的建设者及未来运营者而言,如何找到“重装科学城”的经济盈利点,是一个已经摆在面前的重大挑战。因此,无论已经建设、正在建设还是规划建设的“重装科学城”,都需要充分了解“大科学装置”的特点,才能应对挑战,为今后产业化发展做好准备,助力科学城的健康发展。



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怀柔科学城 

图片来源:1/6图片工作室





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“白象”难题



“重装科学城”建设中可能面对的重要风险——“白象”难题


《孙子兵法》中讲:“故不尽知用兵之害者,不能尽知用兵之利也。”较之那些仅仅聚集高校和研发机构的科学城,“重装科学城”最大的特点就是拥有“大科学装置”。在我们对“大科学装置”满怀敬畏和期许的同时,也必须意识到:“大科学装置”具有“运行费用高,研究成果产出具有不确定性”的特点。


也正是这种特点,如果处理不当,便有可能出现“白象”难题:在古代暹罗国也就是今天的泰国,盛产大象。白色的大象因为稀少而被视为神圣的珍宝,谁能拥有一只白象,谁就能获得无上的荣耀。普通的大象可以用来劳动,帮助人类换取财富,白象却由于过于珍贵只能供养不能劳动。往往供养一只白象就意味着巨大的花销,哪怕是贵族也会受到很大的影响。因此,久而久之,人们就称这样昂贵的累赘为“White Elephant”(白象)。


因此,充分了解“大科学装置”所涉及的各种重大投入,就是避免出现“白象”难题的第一步。


下面,我们将对“大科学装置”相关特点进行详细阐述。



1-“金贵”:建设“大科学装置”,只是投入的开端




众所周知,“大科学装置”需要高额的建设费用,几亿甚至几十亿元人民币的投入都是正常水平。而建设“大科学装置”仅仅是投入的开端。除了建设费用之外,“大科学装置”还有后续巨大的运营成本。“大科学装置”的后续投入主要包括三方面:运行费用、科研费用和改进发展费用。这些后续投入才是对“重装科学城”真正的考验。


运行费用


“大科学装置”建成后,在运行过程中,每年仍需要大量的投入。例如,兰州重离子加速器国家累计投资逾10亿元,每年还需1.1亿元用于运行和维护更新;散裂中子源也有300多人的专职队伍负责进行设备维护,保障运行和开放,每年投入的经费能达到设备建设经费的10%~20%。


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兰州重离子加速器

图片来源:中国科学院兰州分院(lzb.cas.cn/yk/kypt/gjsys/)



科研费用


要让“大科学装置”“用起来”,让科技人才心无旁骛地从事研究。这就需要大量的经费投入。“大科学装置”一般会伴随着大量的“纵向科研项目”(政府部门提供支持资金的项目),但现状是政府对科研的资金支持十分有限。这时,就需要政府帮助寻找“横向科研项目”(企业提供经费的科研项目)。


发达国家的经验显示,对于“大科学装置”后续的科研投入尤其是人员经费,大多要占建设经费的10%~50%。例如,美国能源部国家实验室的年度拨款超过120亿美元,在美国一些固定人员达数千人的大型国家实验室,每年可获得10多亿美元的科研经费;英国国家实验室可以从政府、企业等多种渠道获得支持;德国国家实验室由联邦和州政府共同资助,同时帮助科学家寻求横向经费支持。但是,目前我国对“大科学装置”的科研投入还极为有限。如果科学中心城市只是急于让“大科学装置”落地,而不管后续投入,这很容易导致“纵向科研项目”资金不足,科学家们还要自己花费时间和精力去争取“横向科研项目”资金的尴尬局面。


更何况,目前我国的“大科学装置”通常按照“基础设施建设”立项,但“基建项目”不包括“人头费”。因此,在没有考虑周全的情况下,“大科学装置”的后期运营可能连科研人员的全额工资都无法保证。


如果来自国家级的纵向科研项目资金不够,就很容易影响到科学家们的工作稳定性。因此,城市在考虑建设“大科学装置”之时,也应清醒地意识到后续科研经费带来的压力。


改进发展费用


正所谓“‘大科学装置’建成之日就是开始改进之时”。“大科学装置”建成之后需要随着技术的发展,不断对其加以改进升级,提高性能,才能保持装置的先进性,以满足科学研究的发展速度。很多“大科学装置在建设时凭借其性能的领先性和独特性,成为吸引科学家和高端科技产业的“法宝”。但如果忽略了更新改进,不出几年便会被更好的“大科学装置”替代。因此,只有进行持续的升级改进,才能在充满竞争的国际科研环境中保持足够的实力。


从上述对后期运营费用的梳理不难看出:“大科学装置”不仅建设需要资金投入,使用同样需要资金投入。“凡事预则立,不预则废”——“重装科学城”在规划之初,就必须为“大科学装置”的后续投入想好相应的解决方案。


2-“少产”:“大科学装置”很可能成为科学探索中“寂寞的伏兵”



大家必须明白一个道理:“大科学装置”并不完全等于大产能。“大科学装置”很可能就像一支“寂寞的伏兵”——在少有人关心的地方默默地“埋伏”着。可能未来的某一天,“大科学装置”得出了结果,便会在一瞬间“杀出”,让科学界从此改天换地。但更有可能在很长一段时间内,“伏兵”只是在荒野上自说自话,无人知晓。


从理论上看,某些“大科学装置”要想得出结果,需要长时间运行,有些运行时间长达数十年。比如在本文开头提到的激光干涉引力波观测站(LIGO):从20世纪60年代开始投入运作,几十年间投入上百亿元,直到2015年才发现了引力波;日本超级神冈探测器的目的是探测“幽灵粒子”——中微子,它几乎不和任何物质发生反应,很难被仪器探测到,不留痕迹、来去无踪。而超级神冈的原理,是借助中微子与纯水中的氢原子或氧原子发生反应,进而发现产生的高能粒子在水中留下的“幽灵脚印”——切连科夫辐射光。从1983年建成至今的30多年里,即便是经历了升级换代的探测器,也只有两次测到了中微子的痕迹。


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激光干涉引力波观测站(LIGO) 

图片来源:wikipedia@Umptanum



可以说,建设“大科学装置”不同于搭建生产线——不是生产线搭建好运作了,就自然会有产品生成。


上述“大科学装置”产生了成果,但是也有可能出现长期运行后仍未能有所发现的情况。很多“大科学装置”运行数十年,至今也没有理想的成果产出。例如,2016年8月“欧洲大型强子对撞机的物理学家们有了非常深刻的发现:没有新发现”成为新闻。这种“没有发现就是发现”的结果,是30年前该项目设计之初无法预料的。



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 欧洲核子研究中心的大型强子对撞机

图片来源:flickr@Image Editor、CERN



诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg),在2012年《纽约书评》(The New York Books Reviews of Books)中指出:“探究世界本质的问题变得越来越棘手,科研突破也因此变得越来越罕见。因此,未来我们很可能会看到对自然法则的探索停滞不前。”所以,如何能通过合理的衍生产业规划有效对冲“大科学装置”的“少产”,是“重装科学城”在建设之前就必须考虑清楚的。


3-“耗人”:仅有科学家还不够,还要有“科学服务人”



我们都知道,“大科学装置”是吸引科学家们的利器。


大批科学家会被“大科学装置”吸引来做研究。实际上,科学家们是被“专业调试操作员、系统研制工程师及运行管理人员”维护好的“大科学装置”吸引来的。这些科学辅助人员在项目中承担工艺、流程、基础实验和管理等工作。虽然这些工作没有科学家们耀眼,但是依然不可或缺。因此,对于“大科学装置”所需要的投入不仅仅是“机器”,还有“人”——科学辅助人员。


上海蛋白质科学研究中心为例,其引进了世界上最高水平的蛋白质质谱仪器专家——彭超,由此吸引了世界各地的科学家们前来实验。很多科研人员并不专攻仪器的使用,有些甚至都不知道如何准备样品,彭超及其团队就担任他们的“技术导师”。别人看不清的蛋白质结构,对于他来说轻而易举。想要让其解析蛋白质结构,得预约排队。现在,他们所在的质谱系统一周能收到来自世界各地的约200个样品❽。


所以,对于“重装科学城”而言,所投入的不仅仅是硬件的“大科学装置”,还需要更多“服务‘大科学装置’的专业辅助人员”。后者同样是一笔不小的投入。


综上所述,“大科学装置”不是一个孤立的设施,还需要有一系列的配套和服务。装置建成后,后续的运营和使用才是“重头戏”,人力、财力都是挑战。作为“重装科学城”的规划者、建设者、运营者,必须在建设之初对上述“白象”难题考虑充分,并找到一条“重装科学城”的产业化发展之路。





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迈向大科学装置产业化



那么,“重装科学城”的发展之路应该怎么走?


——迈向大科学装置产业化


虽然“大科学装置”具有上述“高投入”的特点,但是通过合理的产业化引导“大科学装置”是可以产生巨大效益的。

例如,用于高能物理的加速器类“大科学装置”在产业化之后,投入产出比一般可以达到1∶3左右。

在英国,散裂中子源ISIS经过产业化发展,综合投入产出比达1∶2.14;

在美国,人类基因组研究装置迄今为止已带来了超过投资额141倍的经济效益;


在日本,J-PARC散裂中子源有两个专门用于产业化及企业合作的谱仪。2014年,其相关技术辐射和带动的产业发展,市值高达52万亿日元,相当于日本年度国民生产总值的10%,对经济发展起到了巨大的推动作用。




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英国RAL散裂中子源ISIS

图片来源:Wikimedia Commons@Science and Technology Facilities Council (UK) 



因此,正如在开篇中所阐述的,科学创新已经不再是封闭的单线程过程,即使是从事基础科学的“大科学装置”也能直接衍生出科技产业。因此,通过合理的产业化发展路径的设计,“大科学装置”可以避免“白象”难题的出现。


目前,国外也已经有了成功的实践模式,值得中国“重装科学城”借鉴。在下文中,我们将对国际上已有的三种“大科学装置”产业化发展模式进行分析,希望助力中国“重装科学城”的建设发展。



1-“本地聚集模式”:

不仅要空间聚集,还要研究方向聚焦,

由此碰撞出产业火花



对于“大科学装置”而言,空间“聚集”且研究方向“聚焦”的布局方式,能让“大科学装置”产生更为明显的产业价值。现代科学的很多研究项目,需要同时用到两种甚至多种装置。


例如,同步辐射光源与散裂中子源就是互补的:同步辐射光的强项是探测较重的原子,如铂、金;但对于外围电子稀少的氢原子,如氢、氦,中子散射方式就更具优势。在前文提到的上海张江科学城亦是如此。


张江科学城不仅聚集了上海光源、蛋白质研究中心、上海超算中心、软X射线自由电子激光实验装置等,未来还将成为全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施群。这就是“空间聚集,研究聚焦”逻辑的很好体现。



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上海光源

图片来源:Wikimedia Commons@Galaxyharrylion





上海的大科学集群尚在建设之中,而英国哈维尔科学和创新园已经给出了一个成熟的示范。


哈维尔园区是英国国家级科学创新中心,成立至今已超过75年,占地面积达710英亩(1英亩≈4046.86平方米)。这里聚集了超过225个组织、6000多名工作人员。在英国现有的高能级“大科学装置”中,几乎一半的设施都位于哈维尔园区,如世界领先的第三代同步光源——钻石光源、最具生产力的ISIS散裂中子源、世界顶级激光装置之一CLF、全英最强大的GPU超算——Emerald、英国国家级的研究机构——国家影像中心等。



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CLF

图片来源:Wikimedia Commons@Science and Technology Facilities Council (UK) 



更重要的是,哈维尔园区聚集的“大科学装置”方向一致且能够形成互补。设置在园区的三大主要装置,都面向无机或有机材料的微观结构进行探索,且细分领域互为补充,谁也无法替代谁。同步辐射光源与散裂中子源都是理想的“探针”,侧重于探测轻重不同的原子,但这两者只是对于物质本身的基本探测,对于其中原子相对之间距离的高精度测量,还需要借助大型激光装置。

上述三大装置的叠加会让科学家对于物质微观结构的认识更加全面和准确。现在,三大装置在生物科学、食品、物理、工程、环境、能源等领域的科学探索已经形成很好的合作。


基于这种研究方向的聚焦,从2009年开始,哈维尔园区内逐步形成了健康科技、能源科技和航空三大产业集群。其中,健康科技产业集群中的相关科技企业,通过利用同步光源和CLF中央激光装置进行药物研发和开发生物相容性材料;能源科技产业集群基于对散裂中子源和同步光源的充分利用,解决气候和环境等方面的问题,产生创新的清洁技术;航空产业集群的壮大,也同样借势同步光源在材料研究领域的优越性,为工程组件如航空发动机风扇叶片的研发制造添砖加瓦。


通过发挥“大科学装置”的产业潜力,哈维尔园区年产值超过10亿英镑,为整个英国带来了大量的就业机会,促进了经济增长。其中,单单是航空产业集群就已经为英国提供了42000个工作岗位。


对于目前正在规划中的“重装科学城”而言,可以借鉴这种“空间聚集、方向聚焦”的“大科学装置”“顶层设计”,从建设之初就能够做到有的放矢,为之后的“大科学装置”的产业化发展铺平道路,形成科学城具有优势性的经济盈利价值。



2-“异地转移模式”:

以大装置为创新源点,向异地散发科研成果,

促进产业化落地



中国大部分城市发展已经结束了大幅向外扩张式的发展。对于很多沿海经济发达地区,建设用地没有太多“增量”可言。在这种城市发展的新阶段,“重装科学城”如何在规划边界内产生更大的价值,是关乎科学城永续发展的重要问题。


其实,“重装科学城”内的大装置所创造的价值不仅能在本地转化,而且能通过机制创新,在其他地区落地生根。由此,科学城就有可能转变为“科学版的苏州工业园”——在异地落地开发科学成果。这将为科学城自身,同时为落地区域,创造更大的价值。


这种“一个装置产生的成果裂变转移到其他若干地区进行落地生产”的模式,在欧洲核子研究中心(CERN)已经形成。这也为国内已经建成的“重装科学城”打开了“大科学装置”产业化发展的新思路。


横跨瑞、法边境的欧洲核子研究中心(CERN),掌握着世界上最大、最复杂的公共“大科学装置”,包括粒子加速器、探测器和计算设施。这里是世界上最著名的高能物理实验基地,目前拥有23个成员国,共同分摊资金和运行费用。CERN有着来自80个国家、代表500余所大学机构的约6500位科学家和工程师。这里的科学家数量几乎占了世界上粒子物理学人才总量的一半。




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欧洲核子研究中心

图片来源:flickr@x70tjwOlivier Bruchez



CERN的运营成本非常高,2020年高达11.97亿瑞士法郎(约12.33亿美元)。但其产出更为惊人:

CERN在2015年发布的产业研究报告显示,基础物理学相关产业包含机电、土木、能源、信息通信、交通、生命科学、太空科技等,对欧洲国家的影响达GDP总量的15%。其中,仅CERN的存储分析数据框架ROOT,就可被广泛用于电信、航空航天、金融保险等行业,进行欺诈行为分析,可创造价值高达54亿欧元。


而CERN能获得如此高额的直接或间接收益,其产业化模式的关键就在于高效的技术转移。CERN为技术的产业化成立了专门的组织——知识转移集团(CERN Knowledge Transfer Group,简称KT),其任务就是通过专职人员的管理、策划并推动科学界和产业界创造技术转移的机会,以促进创新。现在,知识转移集团(KT)分为商业发展部、知识产权管理和知识转移政策部以及医学应用部,三个部门拥有25名员工,其中有10位独立知识转移专员。


在这里,技术转移的第一步就是收集研发成果。以“成果产业化”为目的,KT帮助CERN的研发人员了解所研发技术的应用潜力并将所有知识成果汇总,形成巨大的“成果池”,并对其中应用前景良好的技术给予多种渠道的协助,包括组织各种学术活动、提供资金帮助等。

在2019年,KT就在18个成员国举行了超过100场活动,还实施了加速创新计划(Accelerating Innovation),共帮助了七个领域的18项技术。


在收集了一系列有价值潜力的技术之后,KT便转身将它们分散到成员国各地,进行产业落地转化。


KT在奥地利、法国、希腊等成员国建立了九个企业孵化中心(Business Incubation Center),推动CERN技术衍生的初创和小企业崛起。这些分散式的孵化中心的主要职责是对外公布研发动向和可转化的技术成果,以寻求企业合作,为技术研发和产业应用搭建桥梁。


同时,孵化中心还为入驻企业提供办公场地、专业顾问、商业支持、业务培训等服务。另外,还可以协助在孵化的企业在CERN中进行技术考察、开展技术合作,帮助外地企业获得CERN专利技术的优惠许可、共享网络资源等。


目前,CERN的企业孵化中心已经形成了遍布欧洲的孵化网络,使CERN的技术可以通过网络化的服务体系得到迅速有效的转化和扩散。

2015年,CERN向外部合作伙伴输出的新技术和相关专利约有100个。其中,产业界合作伙伴占65%,教育界占14%。除了欧洲区域,CERN的技术转移还在影响着全球。2017年CERN技术转移合同涉及的名单里,就出现了加拿大、印度、韩国等欧洲域外国家。



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欧洲核子研究中心大型强子对撞机

图片来源:flickr@x70tjw



由此,我们看到了“大科学装置”除了“聚变”之外,其“裂变”也能够产生价值。不仅仅是那些用地相对紧张的区域,实际上对于那些整体产业基础良好、科技成果转化能力强的区域,都可以借鉴这种“裂变”的产业化落地模式,拓展自身在“科学城”以外的影响力。这将更加高效地在更大范围内兑现“大科学装置”的价值。


在一定程度上,这种“裂变”模式会帮助“重装科学城”拓展更长远的发展空间。科学城的建设者和运营者也将成为更多产业区域的开发者。



3-“人才激活模式”:

构建人才体系内外双引擎,

提供产业永续发展的根本动力〉



产业的发展离不开人,而人是产业能够永续发展的源泉和动力。大科学更是如此,以交叉学科著称的“大科学装置”,需要配备的人才也极为复杂和庞大。通常情况下,科学家们会随着装置而“迁徙”,大装置对于他们来说就是必要的工作环境,装置在哪儿,科学家们就在哪儿。


但正如前文所述,“大科学装置”“耗”的不仅仅是科学家,还有“科学辅助工作人员”,那他们又要从何而来?


下面,我们一起来看一看法国东南部的边陲小城格勒诺布尔是怎样做的——


与前文提到的两个科学装置聚集地相似,格勒诺布尔早早就选择了走一条“大科学装置”产业化之路。经过70余年发展实现了“高能”升级,创造了独有的“格勒诺布尔模式”。“大装置带动当地经济蓬勃发展,2016年格勒诺布尔——阿尔卑斯大都会地区的GDP约为120亿欧元,吸引了大批国际投资者。其中,先进技术创新园(GIANT)作为主要的经济贡献者,相关经济效益高达32亿欧元,占据了整个区域的四分之一。”


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格勒诺布尔

图片来源:Wikimedia Commons@Thibdx



同时,格勒诺布尔延展“大科学装置”产业链,形成了闻名世界的“影像产业谷”(Image Valley)。如今,格勒诺布尔被评为世界第五大、法国第二大创新城市,从一座小城变成了“欧洲的硅谷”。发展了70余年的科学城自然方方面面都是政府全局上下的通盘考虑。但更值得国内“重装科学城”借鉴的是:格勒诺布尔从“科学辅助工作者”入手,通过内部培养与外部输入,搭建了完整的科学服务人才体系,为“大科学装置”的持续高效运转保驾护航。


对于“大科学装置”所需要的研究人员和工程师人才,格勒诺布尔通过教育机构与科研院所协同发展,可以“内部”培养,同时还能向外输出“科学辅助工作者”。在格勒诺布尔,有多家教育机构与“大科学装置”及科研院所合作,从职教到研究生、博士,为研究工作提供源源不断的“科学辅助工作者”。


例如,格勒诺布尔综合理工学院、格勒诺布尔—阿尔卑斯大学等都提供了全面的教育培训课程,着重面向工程类学生提供相关课程,如机械、电子、软件、仪器仪表等,很多学生毕业后就直接在当地研究机构从事相关工作。此外,格勒诺布尔综合理工学院还是法国继续教育方面最活跃的学校之一,拥有大量短期培训课程,为集群内已经从事工作的人,如“大科学装置”或科研中心的管理服务人员,提供灵活的兼职课程,使他们更好地从事项目管理和企业管理的工作。


同时,格勒诺布尔通过国际实习、交流等合作,为外部的很多“科学辅助工作者”提供相关的岗位。通过常年的科研交流活动,格勒诺布尔吸引了国际上专业的“仪器科学家”前来。他们很多人在完成学业或访问之后,仍然选择继续在格勒诺布尔工作几年——以实验操盘手、联络官、研究记录人员等常驻的“科学辅助工作者”身份,辅助科学家使用“大科学装置”。例如,朗之万研究所就为愿意留下来继续工作并使用“大科学装置”的人打造了数十个“仪器科学家”的岗位。他们的工作主要是为用户提供各种科学实验的支持,以及参与仪器的开发和升级。


其实,对于所有计划或正在建设“大科学装置”的“重装科学城”来说,人才永远是城市和产业持续发展的动力。因此,“重装科学城”对于“科学辅助工作者”,尤其是仪器科学家的引进与培养,格外重视。






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   他山之石



通过本文“大科学装置”的产业发展路径分析,我们印证了基础研究本身就可以带来新的产业发展机遇和丰厚的回报。因此,“重装科学城”的建设需要从一开始就把握住科学发展的规律,进行正确的顶层战略设计。



当今的中国,依托“大科学装置”打造的综合性国家科学中心已经批复了四个。一个个“大家伙”在各大一线城市如火如荼地建设和规划中。


北京怀柔科学城已经走在“重装科学城”的前列。北京怀柔科学城在建的五个“大科学装置”,空间聚集且功能上聚焦互补。


例如,综合极端条件实验装置可以和同步光源结合使用,共同为科学城内的综合大型科技平台,如新能源分中心、纳米能源与系统研究所、材料基因组分中心等提供实验支撑。除此之外,怀柔科学城也看到了科学仪器的重要性。2020年5月,科学城成立了“怀柔科仪谷”,集研发、设计、制造、交易等于一体。



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北京怀柔科学城

图片来源:1/6图片工作室



除了北京、上海、合肥、深圳、广州以及其他大湾区城市中的科学城,最新的科学城——西部(成都)科学城、西部(重庆)科学城也已经正式亮相;此外,还有南京、武汉等城市在积极争取科学城的建设……


我们希望在这次科学城建设的热潮中,更多的科学城建设者们能冷静思考,直面挑战,做好准备——在建设之初就想到所能产生的效益,进而选择适合自身条件的发展路径,做出正确的战略决策,更加谨慎、认真地经营“大科学装置”后续的每一步,让更多成功的“重装科学城”站上世界舞台,真正迎来科学为城市带来的新机遇。


题图及内文图片基于华高莱斯

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