15  História da tecnologia de infravermelhos

Antes de 1800,‎ nem sequer se suspeitava da existência da porção de infravermelhos no espectro eletromagnético. O significado original do espectro de infravermelhos (ou simplesmente ‘infravermelhos’,‎ como é geralmente conhecido)‎ como forma de radiação térmica é talvez menos óbvio atualmente do que na data da sua descoberta por Herschel,‎ em 1800.

A sua descoberta foi obra do acaso,‎ durante a procura de um novo material óptico. Sir William Herschel – astrónomo real do rei Jorge III da Inglaterra e já famoso por ter descoberto o planeta Urano – procurava um filtro ótico para reduzir o brilho da imagem do Sol nos telescópios,‎ durante as observações solares. Ao testar várias amostras de vidro de cor que permitiam reduções semelhantes do brilho,‎ ficou intrigado quando se apercebeu de que algumas das amostras deixavam passar muito pouco calor do Sol,‎ enquanto outras deixavam passar tanto calor que,‎ após alguns segundos de observação,‎ os olhos corriam o risco de sofrer lesões.

Herschel imediatamente se convenceu da necessidade de proceder a uma experiência sistemática,‎ com o objetivo de descobrir um único material que permitisse obter a redução de brilho pretendida,‎ bem como uma redução máxima do calor. Iniciou a sua experiência repetindo a experiência de Newton sobre o prisma,‎ tentando,‎ no entanto,‎ estudar o efeito térmico em vez da distribuição visual da intensidade no espectro. Começou por escurecer com tinta o bolbo de um termómetro de mercúrio em vidro sensível e,‎ utilizando-‎o como detetor de radiações,‎ procedeu ao teste do efeito térmico das várias cores do espectro formado sobre a superfície de uma mesa,‎ fazendo passar a luz do Sol através de um prisma de vidro. Outros termómetros,‎ colocados fora do alcance dos raios solares,‎ serviram de controlo.

À medida que o termómetro escurecido era lentamente deslocado através das cores do espectro,‎ as leituras da temperatura registavam um aumento contínuo desde o violeta até ao vermelho. Este resultado não era totalmente inesperado,‎ uma vez que o cientista italiano,‎ Landriani,‎ durante uma experiência semelhante,‎ em 1777,‎ já tinha observado mais ou menos o mesmo efeito. Todavia,‎ foi Herschel o primeiro a reconhecer que deveria existir um ponto onde o efeito térmico atingia um valor máximo e que as medições limitadas à porção visível do espectro não tinham conseguido localizar.

Ao mover o termómetro para a região escura,‎ para além da extremidade vermelha do espectro,‎ Herschel teve a confirmação de que o calor continuava a aumentar. Quando encontrou o ponto máximo,‎ este encontrava-‎se muito para além da extremidade vermelha – no que atualmente conhecemos por "comprimentos de onda infravermelhos".

Quando Herschel revelou a sua descoberta,‎ referiu-‎se a essa nova porção de espectro eletromagnético como "espectro termométrico". Quando se referia à radiação propriamente dita,‎ utilizava por vezes a expressão "calor escuro" ou simplesmente "os raios invisíveis". Ironicamente,‎ e contrariamente à crença geral,‎ não foi Herschel quem deu origem ao termo "infravermelho". A palavra só começou a aparecer impressa cerca de 75 anos mais tarde,‎ e ainda não se sabe muito bem a quem pertence o mérito da sua origem.

O facto de Herschel ter utilizado vidro no prisma da sua primeira experiência envolveu-‎o em algumas controvérsias com os seus contemporâneos acerca da existência real dos comprimentos de onda infravermelhos. Alguns cientistas,‎ na tentativa de comprovar a sua descoberta,‎ utilizaram indiscriminadamente vários tipos de vidro,‎ com diferentes transparências nos infravermelhos. Através de experiências posteriores,‎ Herschel constatou as limitações na transparência do vidro relativamente à recém-‎descoberta radiação térmica,‎ vendo-‎se obrigado a concluir que a óptica de infravermelhos estaria provavelmente condenada à utilização exclusiva de elementos refletores (ou seja,‎ espelhos planos e curvos)‎. Felizmente,‎ isto apenas foi verdade até 1830,‎ data em que o cientista italiano,‎ Melloni,‎ fez a sua grande descoberta de que o sal-‎gema de ocorrência natural (NaCl)‎ – disponível em cristais naturais suficientemente grandes para serem transformados em lentes e prismas – é invulgarmente transparente aos infravermelhos. Como resultado desta descoberta,‎ o sal-‎gema tornou-‎se no principal material óptico de infravermelhos e assim se manteve durante os cem anos seguintes,‎ até ser dominada a arte de criar cristais sintéticos,‎ nos anos 30 do século XX.

Os termómetros,‎ enquanto detetores de radiações,‎ mantiveram-‎se insubstituíveis até 1829,‎ ano em que Nobili inventou o par termoelétrico. (O termómetro utilizado por Herschel permitia leituras até aos 0,‎2 °C e os modelos posteriores permitiam efetuar uma leitura até aos 0,‎05 °C)‎. Assistiu-‎se então a um avanço notável,‎ quando Melloni ligou vários pares termoelétricos em série para formar a primeira termopilha. O novo dispositivo era,‎ pelo menos,‎ 40 vezes mais sensível do que o melhor termómetro da altura para deteção de radiação térmica – capaz de detetar o calor libertado pelo corpo de uma pessoa a uma distância de três metros.

A primeira imagem térmica tornou-‎se possível em 1840,‎ resultado do trabalho efetuado por Sir John Herschel,‎ filho do descobridor dos infravermelhos e,‎ também ele,‎ um astrónomo famoso. Baseando-‎se na evaporação diferencial de uma película fina de petróleo quando exposta a um padrão térmico incidindo nela,‎ era possível ver-‎se a imagem térmica através da luz refletida onde os efeitos de interferência da película de petróleo tornavam a imagem visível a olho nu. Sir John conseguiu ainda obter um registo rudimentar da imagem térmica em papel,‎ a que chamou "termógrafo".

O aperfeiçoamento do detetor de infravermelhos progrediu lentamente. Outra descoberta importante,‎ feita por Langley em 1880,‎ foi a invenção do bolómetro. Este consistia numa tira fina e enegrecida de platina ligada a um braço de um circuito de ponte de Wheatstone sobre o qual incidiam as radiações infravermelhas e ao qual respondia um galvanómetro sensível. Diz-‎se que este aparelho permitiu detetar o calor libertado pelo corpo de uma vaca que se encontrava a uma distância de 400 metros.

Um cientista inglês,‎ Sir James Dewar,‎ utilizou pela primeira vez gases liquefeitos como agentes de refrigeração (tais como nitrogénio líquido com uma temperatura de -‎196 °C)‎ em pesquisas a baixa temperatura. Em 1892,‎ inventou um contentor isolado por vácuo único,‎ no qual é possível armazenar gases liquefeitos durante dias seguidos. A vulgar "garrafa-‎termo",‎ utilizada para conservar bebidas quentes e frias,‎ baseia-‎se neste invento.

Entre 1900 e 1920,‎ os inventores de todo o mundo "descobriram" os infravermelhos. Foram emitidas muitas patentes para dispositivos de deteção de pessoas,‎ artilharia,‎ aviões,‎ barcos e até icebergues. O primeiro sistema operativo,‎ no sentido atual do termo,‎ começou a ser desenvolvido durante a Primeira Guerra Mundial (1914–18)‎,‎ em que ambas as partes beligerantes possuíam programas de investigação vocacionados para a exploração militar dos infravermelhos. Estes programas incluíam sistemas experimentais para intrusão/deteção do inimigo,‎ deteção de temperatura à distância,‎ comunicações seguras e orientação de "torpedos aéreos". Um sistema de procura por infravermelhos testado durante este período permitia detetar um avião em aproximação a uma distância de 1,‎5 km ou uma pessoa a mais de 300 metros.

Os sistemas mais sensíveis até essa altura baseavam-‎se todos em variantes da ideia do bolómetro,‎ mas o período entre as duas grandes guerras assistiu ao desenvolvimento de dois novos e revolucionários detetores por infravermelhos: o conversor de imagens e o detetor de fotões. Inicialmente,‎ o conversor de imagens recebeu maior atenção por parte dos militares,‎ dado que,‎ pela primeira vez na história,‎ permitia que um observador visse,‎ literalmente,‎ no escuro. Porém,‎ a sensibilidade do conversor de imagens limitava-‎se aos comprimentos de onda próximos de infravermelhos e os alvos militares de maior importância (como,‎ por exemplo,‎ os soldados inimigos)‎ tinham de ser iluminados por feixes infravermelhos de deteção. Uma vez que isto envolvia o risco de denunciar a posição do observador a um observador inimigo com o mesmo equipamento,‎ é compreensível que o interesse dos militares pelo conversor de imagens tenha desvanecido.

As desvantagens tático-‎militares dos chamados sistemas "ativos" de formação de imagens térmicas (ou seja,‎ equipados com feixes de deteção)‎ incentivaram,‎ após a Segunda Guerra Mundial (1939–45)‎,‎ programas militares secretos abrangentes de pesquisa de infravermelhos para estudarem a possibilidade de desenvolverem sistemas "passivos" (sem feixes de deteção)‎ com base no extremamente sensível detetor de fotões. Durante esse período,‎ as regras de sigilo militar proibiam terminantemente a divulgação do estado de desenvolvimento da tecnologia de formação de imagens de infravermelhos. O véu só começou a ser levantado em meados dos anos cinquenta do século XX e,‎ a partir daí,‎ começaram finalmente a estar à disposição das comunidades industrial e científica civis dispositivos apropriados de formação de imagens térmicas.