Projekt 07003/01

Entwicklung von Parametern für den modellhaften Einsatz eines Lasergerätes zur Beseitigung von Umweltschäden an wertvollen Kulturgütern (innerdeutsches Kooperationsprojekt)

Projektträger

Bauer-Bornemann Steinrestaurierung
Oberer Stephansberg 37
96049 Bamberg
Telefon: 0951/95500-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ausloten der Grenzen des Einsatzes eines Nd:YAG-Lasers zur Reinigung von Natursteinoberflächen in Abhängigkeit von der Gesteinsart und Verschmutzung. Screening der in Frage kommenden begleitenden wissenschaftlichen Untersuchungsmethoden zur Parameterwahl und Dokumention und Zusammensassung der aussagekräftigsten in einem die Maßnahme begleitenden Formblatt. Ausgangspunkt des Projektes ist der Stand der Technik in Frankreich und Italien, wo der Laser mit Erfolg zur Reinigung heller Karbonatgesteine eingesetzt wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm geeignetes Probenmaterial und Zugang zu Denkmälern zu bekommen, wurde mit verschiedenen Institutionen der Denkmalpflege Kontakt aufgenommen. Insgesamt gelangten 13 verschiedene Sandsteine und 7 verschiedene Kalksteine (einschließlich Marmor) ins Untersuchungsprogramm. Die Probereinigungen erfolgten mit zwei Nd:YAG-Lasergeräten unterschiedlicher Bauart. Die begleitenden Untersuchungen umfaßten die Mikroskopie von Dünnschliffen im polarisierten Durchlicht, die Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Analyse, die Röntgenbeugungsanalyse, die Messung der Wasseraufnahme nach KARSTEN und die Farbmessung mit einem Chromameter. Zur Überprüfung der eingesetzten Energiedichte wurde am Ende der Probereinigung die Ausgangsleistung des Lasers und der Laserfleckdurchmesser als Funktion der Fokussierungsoptik und des Arbeitsabstandes bestimmt.


Ergebnisse und Diskussion

Der Laser kann nicht nur zur Reinigung heller Kalksteine und Marmore mit dunklen Gipskrusten ein-gesetzt werden, sondern er ist auch zum Entfernen von Verschmutzungen auf Oberflächen von Sand-steinen geeignet, wenn diese keine durch Eisenoxide bedingte intensive rote oder gelbbraune Eigen-farbe habe. Bei deutlich farbigen Sandsteinen führt die Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Gestein zu Farbveränderungen.Rote Sandsteine werden durch thermisch bedingtes Abplatzen der die Quarzkörner umhüllenden roten Hämatitkrusten grau. Gelbe Sandsteine nehmen durch den Farbwechsel des Eisenoxidhydratpigments (Goethit, Ferrihydrit) von Gelb nach Schwarzbraun als Folge der Wasserabgabe und Umwandlung in Hämatit zunächst eine schwarzbraune Färbung an und werden nach dem Abplatzen des neugebildeten Hämatits ebenfalls grau. Die zum Materialabtrag erforderliche Energiedichte richtet sich nach der Art der Schmutzschicht(en). Während sich fester anhaftende Gips- und Oxidkrusten mit Energiedichten zwischen 1 und 2 J/cm² abtragen lassen, erfordern Kalksinterschichten Energiedichten von mehr als 4 J/cm². Zur Entfernung von biologischem Bewuchs und abgestorbener Biomasse (Melanin) ist der Laser nicht geeignet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bauer-Bornemann, U., Sobott, R. (1998): Die Laser-Reinigung von Natursteinoberflächen.- Berichte zur Denkmalpflege in Niedersachsen, Heft 2, 58 - 60

Hofmann, P., Sobott, R. (1997): Laserreinigung von Natursteinoberflächen.- in Werkstoffwissenschaften und Bauinstandsetzen, Band I: Grundlagen, Oberflächentechnologie und Natursteine, 167 - 181, Fraunhofer IRB Verlag

Sobott, R. (1999): Veränderungen an ungefassten und farbig gefassten Natursteinoberflächen durch die Laser-Reinigung.- 6. Fachtagung Natursteinsanierung Bern 99, Tagungsband, 16 Seiten


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß die Laser-Reinigung eine hervorragende Methode zur Reinigung von Natursteinoberflächen an wertvollen Kulturdenkmälern ist. Der konkurrenzlos oberflächenschonende Charakter ist bedingt durch die Vermeidung eines direkten mechanischen Kontaktes mit der Steinoberfläche und die Möglichkeit der stufenlosen Parametereinstellung. Aufgrund der komplexen Wechselwirkung der Laserstrahlung mit den krustenbildenden Phasen und gesteinsbildenden Mineralen sollte die Laser-Reinigung nur mit wissenschaftlicher Begleitung zur Ausführung kommen.