O Acervo Museológico reúne instrumentos científicos, máquinas e motores, equipamentos fotográficos e de comunicação, mobiliário e esculturas. Totaliza mais de dois mil objetos representativos do Patrimônio Cientifico e Tecnológico do Brasil.
Destaca-se o rico conjunto de instrumentos científicos oriundos do Imperial Observatório do Rio de Janeiro, atual Observatório Nacional, que contempla a história de diferentes áreas de pesquisa e atividades desenvolvidas nessa instituição desde o século XIX, tais como: astronomia, geodésia, meteorologia, medição do tempo, geofísica e espectroscopia. Essa coleção foi tombada, em 1986, pelo Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional (IPHAN) e, em 1987, pelo Instituto Estadual do Patrimônio Cultural (INEPAC).
O acervo foi ampliado com objetos e instrumentos provenientes do Centro de Tecnologia Mineral (CETEM), do Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) e do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), institutos de pesquisa do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI). A Política de Aquisição e Descarte de Acervos orienta essa coleta.
Complementam o Acervo Museológico os catálogos e manuais de fabricantes de instrumentos e equipamentos. Entre os fabricantes representados no acervo do MAST estão nomes de prestígio da indústria de precisão dos séculos XIX e XX, como Brunner Frères, P. Gauthier, Pellin, Carl Zeiss, T. Cooke and Sons, Kelvin, Bottomley & Baiard Ltd., além dos construtores brasileiros José Maria dos Reis e seu sucessor José Hermida Pazos.
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