De 2003 a 2005, Graça Carvalho foi membro do governo português, primeiro como Ministra da Ciência e do Ensino Superior e depois como Ministro da Ciência, Inovação e Ensino Superior nos gabinetes dos primeiros-ministros José Manuel Durão Barroso (2003-2004) e Pedro Santana Lopes (2004–2005).
Exerce funções como professora catedrática do IST. Foi conselheira principal para a Ciência, Ensino Superior, Inovação, Energia, Ambiente e Desenvolvimento Sustentável, no Bureau of European Policy Advisers da Comissão Europeia.
Maria da Graça Carvalho é Professora Catedrática do Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, e tem 30 anos de experiência nas áreas da energia, alterações climáticas e política de ciência, tecnologia e inovação. Foi membro do Conselho de Diretivo e Presidente do Conselho Científico do Instituto Superior Técnico, além de ter sido membro do Conselho Nacional de Educação e do Conselho Nacional de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável.
Foi fundadora de um grupo de investigação científica com 50 pessoas, intitulado Energia e Desenvolvimento Sustentável no Instituto Superior Técnico. Publicou mais de 100 artigos em revistas científicas internacionais e mais de 200 artigos em anais de conferências, além de escrever quatro e editar outros 17. Fundou e foi a primeira editora-chefe do "Clean Air – International Journal on Environmental Combustion Technologies" (Gordon e Breach Publishers / Taylor & Francis). Coordenou mais de 20 consórcios europeus e atuou como presidente em vários painéis internacionais, tais como o Painel de Avaliação do “Engineering Sciences Panel of the Marie”. Foi ainda Delegada Nacional de vários Programas Europeus e Membro de diversos grupos consultivos dos diferentes Programas Quadro de Ciência e Inovação.
Recebeu, em 2016, o IUMRS International Union of Materials Research Societies Global Leadership and Service Award, que homenageia indivíduos na área da ciência, educação e política científica, e recebeu o primeiro Prémio Maria de Lourdes Pintasilgo, um prémio de carreira para homenagear mulheres cientistas e engenheiras em homenagem à ex-primeira-ministra portuguesa Maria da Lourdes Pintasilgo. Em 2008, no âmbito da comemoração do XV aniversário da Fundação CIRCE (Universidade de Saragoça), Maria da Graça Carvalho recebeu o Prémio CIRCE. Maria da Graça Carvalho é membro de 22 associações científicas nacionais e internacionais e membro da American Association for the Advancement of Science (AAAS), do American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), da World Academy of Art and Science (WAAS) e da Academia Europaea. Foi vice-presidente nacional da Ordem dos Engenheiros, sendo, atualmente membro Conselheiro da Ordem. É membro da Academia das Ciências de Lisboa, da Academia Real de Engenheiros de Espanha e fundadora da Academia Portuguesa de Engenharia.
Carvalho em campanha ao lado do antigo Primeiro-Ministro Pedro Passos Coelho e de Carlos Moedas, Presidente da Câmara Municipal de Lisboa (2011).
No mandato de 2009 a 2014, na qualidade de eurodeputada, foi nomeada relatora do Programa Específico de Implementação do HORIZON 2020. Em 2011, recebeu o Prémio de melhor MEP na área da Ciência e Inovação.
Neste momento, é Vice-Presidente da Comissão das Pescas (PECH). É membro efetivo da Comissão Indústria, Investigação e Energia (ITRE), onde foi eleita vice-coordenadora do Grupo Partido Popular Europeu. É membro efetivo da Comissão dos Direitos da Mulher e da Igualdade de Género (FEMM), da Comissão Especial sobre Inteligência Artificial na Era Digital (AIDA) e da Delegação para as Relações com os Estados Unidos da América. É membro suplente da Comissão do Mercado Interno e de Defesa do Consumidor (IMCO), da Delegação para as relações com os países da América Central, da Delegação à Assembleia Parlamentar Euro-Latino-Americana e da Delegação para as relações com os países da Ásia Central.
Carvalho e Barroso, amigos de longa data, durante uma visita a Florença, no ano de 2022. Com a Presidente da Comissão Europeia, Ursula Von der Leyen (2023)
Foi relatora do Programa Estratégico do Instituto Europeu de Inovação e Tecnologia (EIT), do Ato Básico Único abrangendo nove parcerias com a indústria no âmbito do programa-quadro Horizonte Europa, da parceria europeia para a Computação de Alto Desempenho e dos pareceres sobre a Nova Estratégia Industrial Europeia e o Regulamento dos Dados, entre outros. Foi relatora-principal do Regulamento de Proteção da União Contra a Manipulação do Mercado Grossista da Energia (REMIT). Além disso, foi a negociadora do PPE do Relatório do Desenho do Mercado Elétrico Europeu. Na sua atividade na presente legislatura tem-se empenhado também nas questões relativas à igualdade dos géneros, tendo sido negociadora pelo Partido Popular Europeu da diretiva sobre a participação das mulheres nos conselhos de administração das sociedades cotadas (Women on Boards) e relatora, pela comissão FEMM, do relatório sobre o Fosso Digital entre Homens e Mulheres, além de se ter envolvido em diversas ações visando a promoção da igualdade de género em todos os setores da sociedade.
Na Comissão Europeia, Maria da Graça Carvalho foi membro da Unidade “Mecanismo de Aconselhamento Científico” da DG Ciência e Inovação. Anteriormente, foi Conselheira do Comissário Europeu de Investigação, Ciência e Inovação, bem como Conselheira Principal do presidente da Comissão Europeia, sendo responsável pelas áreas da ciência, ensino superior, inovação, energia, meio ambiente e alterações climáticas.
Maria da Graça Carvalho é também presidente do Conselho de Administração do Instituto Francisco Sá Carneiro, desde julho de 2020. Faz parte do Conselho Executivo do Wilfried Martens Center for European Studies e do Conselho Consultivo do European Network of European Foundations (ENoP).
Carvalho e Metsola em Maio de 2023.2022 – Vencedora do Member of the European Parliament Award, conferido pela Parliament Magazine, na categoria de Futuro da UE e Inovação
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