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Farboberflächen-Reinigung mit Laserstrahlen, Teil 1
Ultraviolettes Licht für Ikonen

Die Anwendung von Laserstrahlen an Farboberflächen gilt bei besonders schwierigen Fällen von Oberflächenbeeinträchtigungen als Hoffnungsträger. Mittlerweile wird diese Methode weltweit an mehreren Zentren intensiv erforscht. Ob die Technologie einmal zum Standard in der Oberflächenreinigung werden kann? Wir geben Ihnen einen Überblick.

Die Fortschritte, die mit der Laser-Reinigung bereits in den letzten 20 Jahren erzielt werden konnten, sind beeindruckend und machen Hoffnung auf die Entwicklung spezifischer Reinigungsmöglichkeiten verschiedener Oberflächen. Nach der Entwicklung von mobilen Geräten, die große praxisnahe Fortschritte im Bereich der Laserreinigung von Daguerreotypien, Elfenbein, Glas, Holz, Keramik, Papier, Textil, Metall, Vergoldungen auf Holz, Wachs, Wandmalerei und bemalten polimentvergoldeten Oberflächen ermöglichten, ist die Gemäldereinigung aufgrund ihrer hohen Komplexität und Empfindlichkeit noch weit zurück. Für gefasste Kunstwerke sind die Laser-Reinigungen in feuchtem Medium meist tabu, Schmutzabnahmen finden häufig trocken statt. Dennoch gibt es gerade bei der Metalloberflächenreinigung im feuchten Medium große Erfolge in der Kombination Laser und Wasser.

Laser und Licht
Laserlicht entsteht, wenn elektromagnetische Wellen aus dem Bereich des ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Lichts verstärkt werden und im gleichen Takt schwingen. Je nachdem, welches Medium für diesen Prozess verwendet wird, bildet sich Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen. In einem nach innen reflektierenden Druckbehälter werden von einer Lichtquelle Energiewellen ausgesendet. Diese gehen zum ebenfalls sich in der Hülle befindlichen Halbleiterkristall oder Gasgemisch, die für die Gleichschaltung des Lichtes verantwortlich sind. Es kommt zu einer Addition der Wellenlängen – sie ergibt den gebündelten Lichtstrahl. Weitere Bestandteile des Lasergerätes sind Prismen, Spiegel, Linsen und Glasfaserleitungen, die den Laserstrahl lenken und seine Qualität beeinflussen. Je nach Anzahl und Qualität von Spiegel und Glasfaserleitungen nimmt die Energie des Laserstrahls ab oder der Laser verliert an Schärfe der Lichtbündelung.

Abdampfen und Abtrag
Der aus dem Gerät austretende Lichtstrahl wird je nach Wellenlänge des Lasers, der Beschaffenheit und der Eigenfarbe der zu reinigenden Objekte sowie deren Überzüge entweder reflektiert oder absorbiert. Eine wichtige Voraussetzung zur Begrenzung der Wirkung des Laserstrahls stellt die höhere Absorption der abzunehmenden Schicht gegenüber der darunter liegenden Schicht dar sowie eine ausreichende thermische Beständigkeit der freizulegenden Schicht. Durch Steuerung von Pulsenergie, Pulsfrequenz und Fokussierung lässt sich der Laserstrahl fein auf das Objekt abstimmen. Im besten Falle jedoch wird der Fremdbelag durch Abdampfen („Vaporisation“) entfernt, wobei die Energie der Fotonen schlagartig in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die bestrahlte Schicht wird dabei so sehr aufgeheizt, dass sie verdampft oder teilweise in den Plasmazustand übergeführt wird. Der Abtrag kann auch durch mehr oder weniger kontrollierbare Schockwellen weggerissen werden („Spallation“ und „Ablation“). Dabei kommt es zu einer Erwärmung der freizulegenden Schicht.

Lösen ohne Schmelzen
Wichtig ist, dass der Laserstrahl noch vor dem Brennpunkt auf die Oberfläche trifft, da sonst die Oberfläche beschädigt wird. Bei einer hohen Haftfestigkeit der Schmutzschicht auf einer thermisch empfindlichen Pigmentschicht (unter 400-500°C) war eine Laserreinigung bisher jedoch recht aussichtslos. Auch bei Faserlasern lassen sich Anschmelzungen der Oberfläche ebenfalls bislang nicht vermeiden. Allerdings wurden im Jahr 2001 an der Universität Jena nur durch die elektromagnetische Energie eines extrem kurz gepulsten Lasers (100-200 Femtosekunden) an der Oberfläche eines Kristalles Schmelzprozesse ausgelöst, ohne die Oberfläche des Kristalls zu erwärmen. Sollten also ungewollte Farbschichten von einem Objekt entfernt werden müssen, erscheint der Einsatz von Lasergeräten eine durchaus diskutable Möglichkeit.

Reinigung von Ölfarben
Der Einsatz von Laserstrahlen zur Reinigung und Abnahme von Firnisschichten wird seit bald 20 Jahren erprobt. Ein seit vielen Jahren bezeichnetes Desiderat an die Forschung ist neben der Firnisabnahme auch die Übermalungsabnahme auf Farboberflächen, die Abnahme von Anstrichen auf Wandmalerei und die Behandlung von brandgeschädigten Gemäldeoberflächen. Bedingt durch größere nasschemische Reinigungen und Firnisabnahmen generierte Schäden an Gemäldeoberflächen steht die Forschung bisweilen in der Kritik. Bekannt ist auch, dass bei der Laser-Entfernung von Ölfarbschichten auf Ölfarbe prinzipiell mit substanziellen Schädigungen (Ausbleichungen der Pigmente, Degradation des Bindemittels) zu rechnen ist.

Erfolge durch Abdampfen
An der Foundation for Research and Technology Hellas wurden bereits vor 15 Jahren Oberflächenreinigungen, Firnis- und Übermalungsabnahmen an Ikonen aus dem 18. Jahrhundert mit Excimer-Laserstrahlung im ultravioletten Spektralbereich mit bemerkenswerten Erfolgen durchgeführt. Hierbei liegt die Spitzenleistung der Laserpulse im Megawattbereich, die Pulslängen betragen einige Nanosekunden. Der Einsatz erfolgt ohne zusätzliche flüssige Medien, also trocken. Staub, vermengt mit Fett und Ruß, absorbiert Licht der eingesetzten Wellenlängen gut. Dies führt, aus physikalischer Sicht, durch eine durch den Laserschuss ausgelöste Mikroschockwelle zu einem explosiven Abdampfen der Schmutzschicht an der Oberfläche des Objektes. Es ist behauptet worden, dass Schockwellen an sehr hohe Laserintensitäten gebunden sind. Allerdings sind diese für Reinigungsarbeiten nicht notwendig. Durch den „Rückstoßeffekt“ des sich entfernenden Dampfstrahles kann es in Anhängigkeit der zu bearbeitenden Substanzen aber zur Zerstäubung einer eventuell gebildeten oberflächlichen Schmelzphase kommen oder bei spröden Materialien zu Absplitterungen von Mikroteilen im nano-Bereich. Hier muss aufgepasst werden, die Teilchen sind beim Einatmen extrem gesundheitsgefährdend und werden entweder maschinell deshalb abgeführt oder es herrscht Augen- und Atemmaskenpflicht. Nach einer anderen Darstellung bewirkt der Einsatz von Excimer-Lasern durch Erwärmungen Ausdehnungen des Substrates – im Falle von verschmutzten Firnisoberflächen ist dies die Firnisschicht, im Falle von ungefirnissten Gemälden ist es die Farbschicht, woraufhin ein Absprengen und Verdampfen des daraufliegenden Schmutzes bewirkt wird. Dass hierin, trotz einer etwaigen „Pufferwirkung“ durch eventuell vorhandenes Craquelé, Schadensgefahren im Mikrobereich von Gemäldestrukturen liegen können, muss erwähnt werden. Allerdings ist der Abtragsprozess derzeit noch nicht vollständig. Sehr deutlich werden Gefahren für zu reinigende Pigmentschichten, auch Verfärbungen und reversible Verdunkelungen, allerdings am Beispiel gefasster Steinskulpturen, dargestellt.

Manuelles Überwachen
Der Arbeitsprozess kann visuell oder spektroskopisch überwacht werden. So kann der Bearbeiter sehen, ob er sich in der Schmutzschicht, der Firnisschicht oder in der Farbschicht befindet. Es wird betont, dass das Verfahren für jedes Kunstwerk eine gründliche Voruntersuchung erfordert, nicht zuletzt deshalb, weil eine Laserbearbeitung an sich keinen gleichmäßigen Abtrag bedeuten muss. Poröse Malschichten (z.B. Leim- und Gouachefarben) mit Lufteinschlüssen und starker Textur sind prinzipiell gefährdet. Je älter und homogener eine Malschicht ist, umso wahrscheinlicher ist ein Erfolg bei einer Laserbehandlung.

Dr. Eipper


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