La NASA ci ha dato le fotocamere degli smartphone (sensori CMOS) negli anni '90. Quale innovazione(i) ha portato la stazione spaziale?

Q: La NASA ci ha dato le fotocamere degli smartphone (sensori CMOS) negli anni '90's. Quale innovazione (s) ha portato la stazione spaziale?

Questa domanda e le risposte che ha già attirato illustra splendidamente come molte persone comprendano male l'interazione tra investimenti pubblici e privati nella ricerca, che è anche evidente ogni volta che si sente qualcuno lamentarsi della mancanza di ritorno dei programmi governativi. In breve, è appropriato che il governo finanzi la ricerca di base proprio perché è improbabile che abbia un ritorno. Se il ritorno fosse probabile, gli investitori privati ci sarebbero già sopra. Il governo finanzia tale ricerca per soddisfare esigenze pubbliche come mantenere la superiorità militare o mantenere l'industria competitiva, tra le altre cose. Naturalmente, quando qualche programma governativo paga i dividendi, è naturale che l'agenzia dietro di esso faccia un inchino.

Così, il sensore d'immagine CMOS:

Contrariamente a quanto altri hanno già affermato qui, la NASA ci ha sicuramente dato il sensore d'immagine CMOS. CMOS stesso è una tecnologia di circuito integrato, sviluppata nel 1963 da Frank Wanlass alla Fairchild Semiconductor. Il CMOS era un'alternativa a bassa potenza alle tecnologie di fabbricazione che l'avevano preceduto, ma aveva velocità di commutazione troppo lente per la maggior parte delle applicazioni. I primi CMOS erano anche ipersensibili alle scariche statiche e avevano altri inconvenienti; tuttavia, trovarono un mercato in certi orologi elettronici e altri dispositivi in cui il consumo di energia era un problema di progettazione principale.

Nel frattempo, il JPL della NASA stava inviando impressionanti sonde spaziali ad alta tecnologia nei cieli con macchine fotografiche barbaramente primitive, la maggior parte delle quali coinvolgevano ingegnosi macchinari per esporre la pellicola fotografica per trasparenza, svilupparla chimicamente sul posto, quindi scansionarla con un tubo fotomoltiplicatore per la trasmissione a terra. Funzionava, ma era inaffidabile, pesante e affamato di energia.

La NASA aveva bisogno di qualcosa di meglio. Il concetto stesso di fotografia digitale venne dall'ingegnere del JPL Eugene Lally negli anni '60, come soluzione ai problemi della NASA.

Nel frattempo, i Charge Coupled Devices furono inventati ai Bell Labs nel 1969 da Willard Boyle e George Smith come un nuovo mezzo per produrre memoria per computer. I CCD non si rivelarono essere la prossima grande cosa nella memoria, ma dalla metà degli anni 70, furono usati in fotocamere digitali di fascia alta costruite da Kodak con sensori costruiti da Fairchild, e usati principalmente nell'astronomia e nei satelliti spia. I sensori CCD sono decollati alla fine degli anni '70 e alla fine sono stati usati nelle fotocamere di consumo, ma avevano alcuni problemi. Richiedevano un'efficienza di trasferimento di carica estremamente alta, il che li rendeva intrinsecamente costosi da produrre. Erano anche sensibili alle condizioni ambientali e avevano difficoltà a gestire il colore, il che li rendeva poco pratici per dispositivi piccoli ed efficienti, e usavano molta energia.

I CCD erano una manna per gli osservatori a terra, ma tutti i loro problemi si aggravavano quando era richiesta una risoluzione più alta o un frame rate maggiore. La NASA aveva bisogno di qualcosa di meglio per le sue sonde.

Eric Fossum era un esperto di CCD che lavorava al JPL della NASA nei primi anni '90. Sapeva che i dispositivi di imaging a semiconduttore metallo-ossido esistevano fin dagli anni '60, ma che il rumore del segnale e altri problemi avevano impedito loro di diventare pratici. Tuttavia, vedeva il CMOS come la chiave per sensori più piccoli, più leggeri, più efficienti e durevoli.

"La gente mi diceva", ha detto, "Sei un idiota a lavorare su questo". Ma lui ci ha lavorato lo stesso. La tecnologia CMOS era migliorata dai primi tempi, e Fossum ha impiegato un tipo di doppio campionamento usato nei sensori CCD per superare il rumore termico nel CMOS. Ha poi organizzato i suoi sensori per agire come loro amplificatori piuttosto che trasferire tutta la loro carica in un unico punto. Questo abbassò la tensione e aumentò l'efficienza - con l'ulteriore vantaggio di permettere a quasi tutta l'altra elettronica della fotocamera di essere integrata nel chip con l'array di pixel.

Il risultato fu il CMOS Active Pixel Array (APS), brevettato nel 1997 dal Cal Tech (che gestisce il JPL per la NASA) sotto Fossum e Robert Nixon. Fossum lasciò presto il JPL per fondare Photobit, che si concentrò sulle applicazioni e sul colmare il divario di prestazioni tra CMOS-APS e CCD.

Tutto questo ha portato direttamente al sensore CMOS-APS affidabile, efficiente, compatto, integrato e onnipresente di oggi. Ha anche portato alla Go Pro (il cui presidente ha lavorato per PhotoBit), alle macchine per i raggi X dentali che sono così efficienti che il personale non ha più bisogno di lasciare la stanza, e ai selfie.

La Stazione Spaziale non è lì per "darci innovazioni". Come i laboratori nazionali Argonne o Livermore, il suo scopo primario è la ricerca di base - il tipo di ricerca che paga enormi dividendi nel lungo periodo, pur non avendo alcun ritorno evidente nel breve periodo. La ricerca dell'ISS ha aiutato a chiarire i meccanismi della perdita ossea legata all'età e la formazione del pianeta. Ha prodotto letteralmente migliaia di articoli scientifici su argomenti che vanno dalla medicina all'archeologia.

E' lì per questo.

Ma viene anche usata come piattaforma su cui testare habitat spaziali innovativi e a basso costo e tecnologie di propulsione, e una società di Houston, Nano-Racks, sta fornendo uno spazio di sperimentazione commerciale e sta per inviare la propria camera di compensazione automatizzata per espandere le sue capacità nell'ambiente vuoto esterno.

Anche questo è il motivo per cui è lì.

La ISS è una collaborazione pubblico/privato, in cui il contribuente paga la maggior parte dei costi iniziali e ottiene i vantaggi in seguito.