在他们之中，孙运璇是一位具有传奇色彩的人物。1925年，从小一直想当文学家的孙运璇接受了父亲孙蓉昌“中国需要工程与俄文人才”的意见，与父亲一起离开家乡蓬莱前往哈尔滨，进入专门为俄侨子弟举办的俄侨实业中学学习俄文。1934年，他从当年俄国人办的哈尔滨工业大学毕业后，参加了江苏省连云港电厂的建设。1936年，他因发表了论文《配电网新算法》而受到赏识，加入南京国民政府资源委员会，参与湘潭湘江电厂的筹备与建设。1937年，孙运璇开始从事战时临时电厂的装配工作，后又接受指示，在没有中央政府任何支援的情况下，就地组织一个骡队，历时三月徒步越过秦岭与大巴山，将湘江电厂锅炉从陕西迁移到重庆大后方。后来，他又奉调至青海，主持修建了当地的第一座电厂，并担任厂长。由于在迁厂与建厂方面的卓著表现，他被中央确定为公派赴美进修人员。1945年回国后，他一直在台湾任职，逐渐由电力技术官员而升至高位，政绩斐然。
因为孙运璇学的是俄语，不懂英语，故资源委员会安排张光斗和他一起走，可以在语言上给孙运璇一些帮助。
能够再次赴美深造，张光斗异常激动，但想到要离开妻子，他又有些不舍。张夫人深明大义，非常支持丈夫的事业，也理解他为人民造福的志愿，宁愿忍受离别的苦楚。在张光斗出国前，资委会安排她到材料处当科员。
1943年，张光斗和孙运璇从重庆乘飞机到昆明，再到印度加尔各答，经卡拉奇、巴士拉、开罗、苏丹，最后抵达美国迈阿密城。然后，他们乘火车到资源委员会驻美办事处所在的纽约城拜见陈良辅先生，并接受了前往坦河流域实习的任务。
坦河流域计划是罗斯福新政的产物，其目的是发展工农业，改善生态环境，提高人民生活水平。坦河流域开发包括全流域综合利用开发计划，分为一系列的多目标工程，具体包括防洪、发电、航运、灌溉、供水等，工程浩大，在国际上首屈一指。张光斗被分配到土木工程设计部当实习工程师。设计部的工程师们对他非常友好，特别是亨内先生教了他许多有关水工的设计理论、方法、规范等；主任工程师台维斯经常和他一起讨论工程技术问题，对他的帮助也很大。张光斗每次遇到疑难困惑，就总向这些外国同行们请教。他白天做设计，晚上攻读技术文件，实践技术得到了长足的进步。
为了便于出国人员互相交流学习，赴美考察的工程师们特意成立了“三一”学社。关于这名称还有个来历：资委会派遣人员的出国时间是民国31年，人数又恰好是31人，而学社的成立日期则定在5月31日，于是取名“三一”学社。学社每月集会，交流经验，互相勉励，互通有无，并每月向资源委员会递交报告。
1943年秋，为了学习施工技术，张光斗主动要求去方坦那工地实习。方坦那工程是坦河流域最大的工程，其主体工程是修建100余米高的混凝土重力坝，有溢洪坝和泄洪坝，水电站装机30万千瓦，混凝土月浇筑量20多万立方米。为了了解第一手的施工技术，张光斗和技工们同吃同住，学习机械操作和施工工艺。他走遍各个工种的工地，观看各式工程结构，向有经验的技师们讨教。有位热心的灌溉工程师不但把他的著作借给张光斗看，而且还手把手地教他如何灌溉。白天，他下工地勤勤恳恳地学习，晚上回到宿舍就啃技术文件，遭到了一些来工地参观的官员和专家的不解和嘲笑。有人甚至认为他堂堂一个工程处主任怎么跑到这里来当工人了，这不是有损国格么？！但张光斗一直觉得做设计必须与实践相结合，做工程也必须与工人紧密结合，因此他我行我素，并不理会这些闲言碎语。
这期间，张光斗远在中国的夫人钱玫荫顺利分娩，产下一子。他虽然万分高兴，却无法照料妻儿，只好写信慰问，并寄了鱼肝油作为妻子产后的滋补品。
此次赴美学习，张光斗又遇见了老朋友萨凡奇先生。萨凡奇是方坦那工地的顾问，来此考察时恰好遇上了张光斗。远隔重洋的两个工程师，暌违六年再度相逢，真是格外的高兴。
1944年萨凡奇考察三峡他们促膝长谈，聊起了自张光斗1937年回国后的诸多事情。当萨凡奇告诉张光斗他第二年将到印度做巴黑拉大坝的顾问时，张光斗立即建议他趁机就近到中国走一走，为一些中型水电站做些顾问工作。对中国和中国人向来友好的萨凡奇欣然应允。于是，张光斗写信给时任资委会副主任委员的钱昌照，建议资委会转请政府出面邀请萨凡奇先生来华做顾问。不久，中国外交部正式致函美国国务院，邀请国际大坝和水电权威萨凡奇来华做顾问。张光斗为促成了此事而兴奋不已。而实际上，萨凡奇访华的影响还远远超过了张光斗当初的预想。
1944年秋，萨凡奇写信告诉张光斗他已从中国回到美国。这次中国之旅，他的最大发现就是三峡。他说，虽然因日寇侵占，在宜昌的行程略微受阻，但毕竟亲眼看到了三峡山高谷窄，水流湍急，是异常优良的水利位置。经美国驻华大使馆和资委会商定，美国垦务局将帮助设计三峡工程，美国政府也将给予贷款并帮助修建三峡工程。收到此信，张光斗非常震惊！一是中国战乱，三峡工程短时间内无法实施，二是为什么要由美国人来设计修建三峡工程呢？张光斗虽然为促成萨凡奇的中国之行而高兴，可他对由美国人来设计修建三峡工程之事却并不认同，也很怀疑美国政府出资的真正居心。
这次在美国，张光斗自然没有忘记给哈佛大学的恩师韦斯脱伽特先生写信，深情讲述自己公派来美实习等事宜。韦斯脱伽特仍希望张光斗早日重返哈佛，完成博士学业。张光斗读罢老教授的信感动至极，但由于身负资委会的任务，只能辜负先生的期望。
在美期间，张光斗还不忘积极参加社会活动，大胆揭露日寇在华的暴行，还专门写文章向有关报社投稿，大力宣传中国人民的抗日壮举，表明中国人民的抗战决心。
1944年，结束了坦河流域局实习工作的张光斗转到丹佛城垦务局继续实习，跟随萨凡奇学习关键技术。恰在此时，中国水利委员会派团赴美考察水利建设，张光斗随团行动，参观了诸多的工程，包括大汤普森引水工程、大古力工程、庞纳维尔工程、罗斯拱坝和水电站、夏斯塔工程、圣滑金河谷灌溉工程、洛杉矶城防洪工程、科罗拉多水道、胡佛大坝工程，等等。当时已经有一定工程经验的张光斗每到一处往往都能抓住重点，进行深入的探索研究。
1945年春，张光斗接到要他回国参加三峡工程的命令。正如萨凡奇所说的，中美两国政府决议联合修建三峡工程，并由美国垦务局负责设计。张光斗的任务就是陪同美国工程师柯登进行三峡工程的前期工作。柯登是美国联邦能源委员会太平洋地区的主任工程师，是萨凡奇先生向资委会推荐的人选。张光斗接到这个任务后，立即向资委会副主任委员钱昌照建议不要搞三峡工程，理由有四点：
首先，三峡工程庞大，战乱之中难以完成；
其次，美国政府的贷款难以满足全部所需；
再次，即使三峡工程建成了，所生产的电能也无法充分利用，因为我国没有财力来建设需要这些电能的工农业；