Dosis und Auswirkung anthropogener Schadstoffe in Vitrinen (DoAaSch) – Untersuchung des Stofftransports in der Gasphase für die Optimierung passiver Ausstellungsvitrinen zur Erhaltung von Kulturgut
Projektdurchführung
Rathgen-Forschungslabor
Staatliche Museen zu Berlin
Stiftung Preußischer Kulturbesitz
Schlossstr. 1 a
14059 Berlin
Zielsetzung
Anthropogene Schadstoffe in Museumsvitrinen stellen ein erhebliches Risiko für empfindliche Kulturgüter dar, insbesondere organische Säuren wie Essigsäure, die zu Korrosionsprozessen und salzhaltigen Ausblühungen an Metallen, Gläsern und kalkhaltigen Materialien führen können. Passive Vitrinen werden aus Gründen der Nachhaltigkeit und Betriebssicherheit zunehmend bevorzugt, weisen jedoch aufgrund geringer Luftwechselraten ein erhöhtes Risiko der Akkumulation solcher Schadstoffe aus vitrineninternen Quellen auf, etwa Holz, Dicht- und Beschichtungsstoffen oder Altrestaurierungen. Gleichzeitig wird zur Klimastabilisierung häufig mit separaten Technik- bzw. Konditionierungsfächern gearbeitet, deren Austauschflächen aus gestalterischen Gründen meist klein gehalten sind und damit den Stofftransport zwischen Präsentationsraum und Technikfach begrenzen. Dadurch kann es trotz eingesetzter Sorptionsmittel zu hohen Schadstoffdosen an den Objekten kommen, während die Wirksamkeit der Sorbentien unzureichend bleibt.
Das Projekt „Dosis und Auswirkung anthropogener Schadstoffe in Vitrinen (DoAaSch)“ zielt darauf, die Aufnahme und Wirkung von Essigsäure an repräsentativen Objektmaterialien systematisch zu untersuchen, geeignete Sorptionsmaterialien hinsichtlich Kapazität und Depositionsgeschwindigkeit zu bewerten und den Einfluss der Vitrinengeometrie auf den Stofftransport zu quantifizieren. Hierzu wird eine neue Kennzahl zur Beschreibung des Luft- und Stoffaustauschs zwischen Präsentationsraum und Technikfach in passiven Vitrinen entwickelt, die Herstellern und Anwendern eine objektive Bewertung der Schutzwirkung ermöglichen soll. Das Vorhaben leistet damit einen Beitrag zum Objektschutz, zur Optimierung passiver Vitrinen und zur Reduktion des Energie- und Ressourceneinsatzes gegenüber aktiv konditionierten Systemen.
Arbeitsschritte
Die Arbeiten gliederten sich in drei miteinander verknüpfte Arbeitspakete: (1) Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens zur Charakterisierung des Stofftransports zwischen Präsentationsraum und Technikfach in realen Vitrinen, (2) Untersuchung der Schadstoffwirkung und Sorptionskinetik von Essigsäure an Objektmaterialien und Sorbentien unter idealisierten Laborbedingungen sowie (3) modellhafte Übertragung auf passive Vitrinen mit variierter Geometrie.
Im ersten Schritt wurden Messprotokolle zur Bestimmung der Feuchtewechselzahl und der maximalen Feuchtedifferenz zwischen Vitrinenkompartimenten erarbeitet, wobei Trockenmittelsäckchen (Bentonit) eingesetzt und das Verhalten der Vitrine mit Datenlogger verfolgt wurden. Diese Kenngrößen dienen als Grundlage für eine praktikable Kennzahl des Stofftransports, die in Planung, Ausschreibung und Bewertung von Vitrinen einsetzbar ist. Parallel wurden unter idealisierten Bedingungen in Exsikkatoren Sorbentien und repräsentative Objektmaterialien definierten Essigsäurekonzentrationen ausgesetzt. Gravimetrie, Thermogravimetrie gekoppelt mit Massenspektrometrie (TG‑MS) sowie Dichtebestimmungen ermöglichten die Quantifizierung aufgenommener Essigsäuremengen und die Bestimmung klassischer sowie volumenspezifischer Depositionsgeschwindigkeiten. Ergänzend wurden Korrosionsversuche an Metallen, Kalksteinen und Modellmörteln, Schädigungszyklen mit Acetatsalzen und dynamische Wasserdampfsorptionsmessungen in Kombination mit Pitzer-Modellierungen zur Beschreibung relevanter Phasengleichgewichte durchgeführt.
Im dritten Arbeitsschritt erfolgten Emissionskammerexperimente und Versuche in Realvitrinen, bei denen der Öffnungsgrad zwischen Präsentationsraum und Technikfach systematisch variiert wurde. Essigsäurekonzentrationen wurden mittels Luftprobenahme und TDS‑GC‑MS erfasst; Sorbentien (u. a. Aktivkohlen, Kaliumcarbonat, MOF‑Materialien) wurden im Technikfach platziert und deren Wirksamkeit zur Reduktion der Konzentrationen im Präsentationsraum bewertet. Eine Befragung der Fachcommunity ergänzte die Auswahl praxisrelevanter Sorbentien und Anwendungsformen.
Ergebnisse
Die Untersuchungen zeigen, dass alle geprüften Sorptionsmaterialien Essigsäure aufnehmen können, ihre Leistungsfähigkeit jedoch von gewählter Bezugsgröße, Schichtdicke und Diffusionsprozessen abhängt. Eine auf das Volumen bezogene Betrachtung der Depositionsgeschwindigkeit erwies sich als besonders geeignet, um die Affinität und Kapazität verschiedener Sorbentien praxisnah zu vergleichen; hierbei schnitten unter anderem MOF MIL‑100 und Kaliumcarbonat sehr gut ab, während klassische Materialien wie Aktivkohle weiterhin robuste und handhabbare Optionen darstellen. Parallel wurde bestätigt, dass poröse Kalksteine und Metalle unter Essigsäurebelastung deutlich weniger aufnehmen als geeignete Sorbentien und somit grundsätzlich durch diese geschützt werden können, sofern Sorptionskapazität und Austauschbedingungen stimmen.
Korrosionsversuche und Schädigungszyklen mit Acetatsalzen verdeutlichten das hohe Schadenspotenzial insbesondere von Kaliumacetat und die Relevanz von Phasenübergängen in hygroskopischen Salzsystemen; modellierte Phasendiagramme liefern kritische Feuchtebereiche für die Praxis. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass Essigsäure-induzierte Ausblühungen und Glas- bzw. glasinduzierte Metallkorrosion durch geeignete Kombination von Materialwahl, Klimaführung und Sorptionsmitteln deutlich reduziert werden können.
Ein zentrales Ergebnis betrifft den Stofftransport in passiven Vitrinen: Erst ab einem Öffnungsgrad von etwa 10% zwischen Präsentationsraum und Technikfach konnte in Emissionskammern und realen Vitrinen eine signifikante Reduktion der Essigsäurekonzentration im Präsentationsraum beobachtet werden, während sehr kleine Öffnungsgrade die Sorptionswirkung im Technikfach deutlich reduzieren. Die im Projekt entwickelte Vorgehensweise zur Bestimmung von Feuchtewechselzahl und maximaler Feuchtedifferenz liefert reproduzierbare Kenngrößen, mit denen der Stofftransport zwischen Vitrinenkompartimenten abgeschätzt werden kann und die sich in Normung, Produktspezifikation und Ausschreibungen integrieren lassen.
Öffentlichkeitsarbeit
Abschlusstagung: Am 13. Oktober 2025 fand die ganztägige Abschlusstagung „Klima- und Schadstoffmanagement in der passiven Vitrine" in Berlin statt. Diese bot Fachvorträge, den Austausch mit Innovationspartnern und umfassende Diskussionen zu Korrosionsprozessen, Oddy-Tests, analytischen Untersuchungen und neuen Normen (EN 15999).
Internationale Fachkonferenzen: Das Projekt wurde auf mehreren Konferenzen präsentiert:
• 16th International Conference on Indoor Air Quality in Heritage and Historic Environments (IAQ 2024) am Metropolitan Museum of Art, New York (November 2024)
• Konservierungswissenschaften im Dialog, Berlin (November 2024)
• GDCh Archäometrie-Tagung, Dresden (März 2025)
• Abschlusstagung „Salz in der Vitrine", Coburg (Mai 2025)
• Ringvorlesung Masterstudiengang Konservierung und Restaurierung, Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (November 2025)
Publikationen: Zwei wissenschaftliche Publikationen sind in Bearbeitung.
Praktischer Transfer: Die Erkenntnisse werden in die Arbeit der Working Group der CEN TC 346 (Erhaltung des Kulturellen Erbes) einfließen. Durch diesen und weitere Kanäle werden die Ergebnisse Restauratorinnen, Konservierungswissenschaftler und Hersteller erreichen.und im Museumsalltag umgesetzt.
Fazit
Das Projekt DoAaSch konnte nachweisen, dass passive Museumsvitrinen zum Schutz von Kulturgütern vor Schadstoffen optimiert werden können.
Die Untersuchungen zeigten: Neun von zehn getesteten Sorbentien sind in der Lage, Essigsäure erfolgreich aufzunehmen und zu speichern. Die neu etablierte Parameter der volumenspezifischen Depositionsgeschwindigkeit berücksichtigt Affinität und Kapazität – entscheidend Kriterien für die Materialauswahl. Die praxisweit verbreitete Aktivkohletypen als auch innovative Materialien erwiesen sich als wirksam.
Vergleichende Tests von Objektmaterialien (Kalkstein und Metalle) bestätigten: Alle wirksamen Sorbentien schützen Objekte durch ihre hohe Affinität zur Essigsäure. Eine zentrale Erkenntnis betrifft die Vitrinenkonstruktion: Ein Öffnungsgrad von etwa 10 % zwischen Präsentationsraum und Technikfach ist notwendig um einen effektiven Stofftransport zu gewährleisten. Bei kleineren Öffnungsgraden bleiben Sorbentien wirkungsarm. Diese Befunde schließen eine Forschungslücke und bieten Museen und Herstellern konkrete, evidenzbasierte Handlungsempfehlungen. Jede Optimierung passiver Vitrinen vermeidet energieintensive, klimafeindliche aktive Systeme und trägt damit zur nachhaltigen Erhaltung von Kulturgut bei.