A NASA deu-nos câmaras de smartphone (sensores CMOS) nos anos 90. Que inovação(ões) a estação espacial nos deu?

Q: A NASA nos deu câmeras smartphone (sensores CMOS) nos '90's. Que inovação(ões) tem a estação espacial entregue?

Esta pergunta e as respostas que já atraiu ilustra lindamente como muitas pessoas entendem mal a interação entre investimento público e privado em pesquisa, o que também é evidente sempre que você ouve alguém reclamando da falta de retorno dos programas governamentais. Em resumo, é apropriado que o governo financie a pesquisa básica especificamente porque é improvável que ela tenha um retorno. Se o payback fosse provável, os investidores privados já estariam em cima dele. O governo financia tais pesquisas para atender a necessidades públicas como manter a superioridade militar ou manter a indústria competitiva, entre outras coisas. Claro que, quando algum programa governamental paga dividendos, é natural que a agência por trás dele faça uma vénia.

Então, o sensor de imagem CMOS:

Contrário ao que outros já afirmaram aqui, a NASA definitivamente nos deu o sensor de imagem CMOS. O próprio CMOS é uma tecnologia de circuitos integrados, desenvolvida em 1963 por Frank Wanlass na Fairchild Semiconductor. O CMOS era uma alternativa de potência inferior às tecnologias de fabricação que tinham vindo antes dele, mas tinha velocidades de comutação demasiado lentas para a maioria das aplicações. O CMOS era também hiper sensível à descarga estática e tinha outros inconvenientes; contudo, encontrou um mercado em certos relógios electrónicos e outros dispositivos onde o consumo de energia era um problema principal de design.

Meanwhile, o JPL da NASA estava a enviar sondas espaciais impressionantes e de alta tecnologia para os céus com câmaras barbaramente primitivas, a maioria das quais envolviam maquinaria engenhosa para expor película fotográfica de transparência, revelá-la quimicamente no local e depois digitalizá-la com um tubo fotomultiplicador para transmissão de volta à terra. Funcionou, mas não era confiável, pesado e faminto de poder como o inferno.

NASA precisava de algo melhor. O próprio conceito de fotografia digital veio do engenheiro da JPL Eugene Lally nos anos 60, como solução para os problemas da NASA.

Meanwhile, Charge Coupled Devices were invented at Bell Labs in 1969 by Willard Boyle and George Smith as a new means of producing computer memory. Os CCDs acabaram não sendo a próxima grande coisa em memória, mas em meados dos anos 70, eles estavam sendo usados em câmeras digitais de última geração construídas pela Kodak com sensores construídos pela Fairchild, e usados principalmente em astronomia e satélites espiões. Os sensores CCD decolaram no final dos anos 70, e acabaram sendo usados em câmeras de consumo, mas tinham certos problemas. Eles exigiam uma eficiência de transferência de carga extremamente alta, o que os tornava inerentemente caros para produzir. Eles também eram sensíveis às condições ambientais e tinham dificuldades no manuseio de cores que os tornavam menos práticos para dispositivos pequenos e eficientes - e usavam muita energia.

CCDs eram uma vantagem para observatórios baseados em terra, mas todos os seus problemas eram agravados quando era necessária maior resolução ou taxas de quadros. A NASA precisava de algo melhor para suas sondas.

Eric Fossum foi um especialista em CCD trabalhando no JPL da NASA no início dos anos 90. Ele sabia que os dispositivos de imagem metal-oxido-semicondutor existiam desde os anos 60, mas que o ruído de sinal e outros problemas os tinham impedido de se tornarem práticos. No entanto, ele via o CMOS como a chave para sensores menores, mais leves, mais eficientes e duráveis.

"As pessoas me disseram", ele disse, 'Você é um idiota para trabalhar nisto'". Mas ele trabalhou nisto de qualquer maneira. A tecnologia CMOS tinha melhorado desde os primeiros dias, e Fossum empregou um tipo de dupla amostragem usada em sensores CCD para superar o ruído térmico em CMOS. Ele então arranjou seus sensores para agir como seus próprios amplificadores, em vez de transferir toda a sua carga para um único ponto. Isto diminuiu a voltagem e aumentou a eficiência - com o benefício adicional de permitir que quase todos os outros componentes eletrônicos da câmera fossem integrados ao chip com a matriz de pixels.

O resultado foi o CMOS Active Pixel Array (APS), patenteado em 1997 pela Cal Tech (que administra JPL para a NASA) sob Fossum e Robert Nixon. A Fossum logo deixou o JPL para fundar o Photobit, que se concentrava em aplicações e em fechar a lacuna de desempenho entre CMOS-APS e CCD.

Isto tudo levou diretamente ao atual sensor CMOS-APS confiável, eficiente, compacto, integrado e onipresente. Isso também levou à Go Pro (cujo presidente trabalhou para a PhotoBit), máquinas de raios X dentárias que são tão eficientes, a equipe não precisa mais sair da sala, e a selfie.

A Estação Espacial não está lá para "nos dar inovações". Tal como os laboratórios nacionais de Argonne ou Livermore, o seu objectivo principal é a pesquisa básica - o tipo de pesquisa que paga enormes dividendos a longo prazo, enquanto não tem um retorno óbvio a curto prazo. A pesquisa do ISS ajudou a elucidar os mecanismos da perda óssea relacionada com a idade e a formação do planeta. Produziu literalmente milhares de artigos científicos sobre tópicos desde medicina até arqueologia.

É para isso que serve.

Mas também está sendo usada como uma plataforma sobre a qual se pode testar um habitat espacial inovador e de baixo custo e uma empresa de Houston, a Nano-Racks, está fornecendo espaço de experimentação comercial e está prestes a enviar sua própria câmara de ar automatizada para expandir suas capacidades para o ambiente de vácuo externo.

Também é para isso que existe.

O ISS é uma colaboração público-privada, na qual o contribuinte paga a maior parte dos custos iniciais e recebe de volta as vantagens mais tarde.