Physik rettet Kultur

  • 27. July 2012

Mit Plasma und Elektronen von der Vergangenheit in die Zukunft.

Ein verheerendes Feuer vernichtete am 2. September 2004 das historische Gebäude der Anna Amalia Bibliothek in Weimar. Auch 50.000 Bücherbände fielen den Flammen zum Opfer, 62.000 konnten beschädigt geborgen werden. Solche Katastrophen, aber auch der sprichwörtliche Zahn der Zeit, stellen Restauratoren und Konservatoren vor neue Herausforderungen beim Erhalt von historischen Kulturgütern. Die „Forschungsallianz Kulturerbe“, an der neben Einrichtungen der Leibniz-Gemeinschaft und der Stiftung Preußischer Kulturbesitz insgesamt 22 Fraunhofer-Institute beteiligt sind, hat nun mit ihrem Projekt „Plasmatechnologie – eine innovative Technologie zur Konservierung und Restaurierung von Kulturgütern“ begonnen, das große Potenzial der Plasmatechnologie für dieses Anwendungsgebiet zu erforschen. Diese umweltverträgliche und nachhaltig wirkende Technik bietet neue Möglichkeiten für den Erhalt von Kunst- und Kulturgut.

Archivgut, oben im Original sowie unten behandelt und geglättet

Abb.: Archivgut, oben im Original sowie unten behandelt und geglättet (Bild: Fh.-FEP)

Kunst- und Kulturgüter sind ein wesentlicher Bestandteil unserer Zivilisation und nebenbei auch von hoher wirtschaftlicher Relevanz. Da sie keine erneuerbare Ressource darstellen, ist es umso wichtiger, sie zu erhalten, nachhaltig zu sichern und zu pflegen. Die multidisziplinär zusammengesetzte Forschungsallianz Kulturerbe vereint Geistes- und Naturwissenschaftler. Ihr Ziel ist es, neue Verfahren, Materialien und Technologien für die Restaurierung und Konservierung kulturellen Erbes zu entwickeln Eine dieser Techniken ist die Plasmatechnologie. Im Fokus des Projektes standen dünne, transparente Konservierungs- und Barriereschichten, die als temporärer oder langzeitstabiler Korrosionsschutz gegenüber Umgebungsatmosphäre, Umwelteinflüssen oder auch Berührung dienen. Darüber hinaus beschäftigte sich das Forscher-Team mit reinigenden, desinfizierenden oder gar sterilisierenden Plasmen und beschleunigten Elektronen, da ein Mikrobenbefall die Kulturgüter häufig schädigt.

 REAMODE Elektronenstrahlanlage im Fraunhofer FEP

Abb.: REAMODE Elektronenstrahlanlage im Fraunhofer FEP (Bild: Fh.-FEP)

„Für diese Anwendungen im Bereich der Restaurierung waren jedoch eine Optimierung der Prozesse, eine Weiterentwicklung der Anlagentechnik sowie eine Anpassung an die speziellen Fragestellungen erforderlich. Mit dieser Adaption der Plasmatechnologie für fragile Objekte ist die Forschungsallianz auf einem sehr guten Weg zur Erhaltung unseres kulturellen Erbes“, resümiert Klaus Sedlbauer, Sprecher der Forschungsallianz und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP. Die Fraunhofer-Gesellschaft gehört durch die am Projekt involvierten Institute zu den führenden Forschungseinrichtungen der Plasmatechnologie weltweit. Dem Fraunhofer IBP oblag dabei den Schritt von der Forschung in die Praxis zu gewährleisten sowie die Bedürfnisse der Restauratoren und die vertieften Kenntnisse der Naturwissenschaftler zusammen zu führen.

Niedertemperaturplasmen können reinigen, entkeimen, abtragen oder auch Oberflächen schützend beschichten. Niederdruckplasmen, die in Unterdruckkammern gezündet werden, sind besonders geeignet für die flächige Behandlung von Objekten. So lassen sich etwa Oberflächen archäologischer Funde, die mit diesem Verfahren behandelt wurden, leichter säubern. Auch können wertvolle Kunstobjekte aus Silber, die sich an der Luft schwärzlich-braun verfärbten, gut mit reduzierenden Plasmen gereinigt werden, ohne Material abzutragen.

Heißer Plasmajet PlasmaTec der Firma Tantec

Abb.: Heißer Plasmajet PlasmaTec der Firma Tantec (Bild: Fh.-IST)

Um eine differenziertere Möglichkeit bei der Restaurierung anbieten zu können, legte das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST seinen Forschungsschwerpunkt dagegen auf Atmosphärendruck-Plasmabehandlungen unter reduzierenden Bedingungen mit verschiedenen Jetsystemen. Diese Plasmajetsysteme nimmt ein Restaurator, ähnlich wie einen Stift, in die Hand und führt sie individuell über die Probe. Insgesamt zeigt sich, dass Atmosphärendruck-Plasmaverfahren neue Möglichkeiten für den Einsatz in der Restaurierung erschließen. So werden Silbersulfidschichten punktuell reduziert, ohne dass Silber abgetragen wird. Insbesondere für sehr fragile Objekte, wie Naturabgüsse aus Silber, ist diese Technik sehr gut geeignet. Auch bei der Freilegung von archäologischen Eisennägeln bot sich ein erster positiver Ansatz.

Doch die angewendeten Quellen brachten zum Teil zu hohe Temperaturen in die Objekte ein. Hier herrscht weiterer Entwicklungsbedarf, um solche Quellen zu optimieren und für die verschiedenen Anwendungsfelder im Bereich des Kulturerbes zu qualifizieren. „Optimal wären Quellen, die in einem weiteren Temperaturbereich variabel einstellbar wären und bei denen darüber hinaus auch die Geometrie der Jetform einstellbar wäre. So könnten sowohl flächige als auch punktuelle Behandlungen durchgeführt werden“, erklärt Michael Thomas, Abteilungsleiter am IST.

Eine aussichtsreiche Möglichkeit, den Verfall historischer Dokumente zu stoppen, bietet der Einsatz der Elektronenstrahltechnik bei Atmosphärendruck. Hierbei kann aus der Vielfältigkeit des Archivmaterials nur das vom Säurefraß gefährdete Massengut einer Behandlung zugeführt werden. Durch Imprägnieren des Papierhauptbestandteils, der Zellulosefaser, mit speziellen reaktiven Monomeren kann mittels niederenergetischer Elektronenstrahlen deren chemische Vernetzung und somit eine Verfestigung des Papiers mit hoher Stabilität gegen weitere chemische und biologische Umwelteinflüsse erzielt werden. Im Gegensatz zum Laminieren bleiben bei diesem Verfahren Biegsamkeit, Optik und Haptik des Papiers weitestgehend erhalten. Willkommener Nebeneffekt ist eine nachhaltige keimtötende Wirkung auch im Blattinneren durch die Elektronenstrahlen. Die Anwendung der Elektronenstrahltechnik an Atmosphärendruck ist gekennzeichnet durch eine diffuse und nur schwach aufheizende, dafür aber sehr schnell wirkende Strahlung. Die Eindringtiefe hängt von der Beschleunigungsspannung der Elektronen ab.

Versilberte Teekanne, links vor und rechts nach der Behandlung mit dem PlasmaTec

Abb.: Versilberte Teekanne, links vor und rechts nach der Behandlung
mit dem PlasmaTec (Bild: Fh.-IST)

Bei der im Fraunhofer-FEP stattfindenden Verfahrensentwicklung kommen niederenergetische Elektronenstrahlen mit Beschleunigungsspannungen bis zu 300 kV zur Anwendung. Sie durchdringen zwar nur einzelne Papierblätter, erfordern dafür aber einen geringen Aufwand zum Schutz vor der entstehenden Röntgenstrahlung. Im Projekt werden Grundlagenuntersuchungen zur Ermittlung der notwendigen Materialien und Prozessparameter mit dem Ziel durchgeführt, Konstruktion und Bau von kostengünstigen Behandlungsanlagen mit geringem räumlichen Aufwand zu ermöglichen, die flexibel an die Einsatzorte und die jeweiligen technologischen Erfordernisse angepasst werden können. „Unser Fernziel ist, eine Behandlungsanlage zu erstellen, die es bei einfacher Bedienbarkeit ermöglicht, in einem kontinuierlichen Durchlaufgang große Mengen von Papierblättern mit dem Vernetzungsmaterial zu imprägnieren und durch Elektronenbestrahlung zu verfestigen“, resümiert Wolfgang Nedon, Abteilungsleiter am FEP.

FhG / OD

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