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Nanomaterialen, Optotechnik und Bildverarbeitung für alte Steine

Ziel des interdisziplinären EU-Projektes Nano Cathedral war es, maßgeschneiderte Lösungen für die Konservierung von Naturstein auf Nanoebene zu entwickeln. Nun soll langfristig deren Wirkung nachgewiesen werden. Restauratoren, Architekten, Konservierungswissenschaftler, Kunsthistoriker, aber auch Chemiker, Materialwissenschaftler und Sozial- und Wirtschaftswissenschaftler arbeiten hierfür im Team, um gemeinsam einen entscheidenden Beitrag zum Erhalt des kulturellen Erbes zu leisten.

Neben Festigungsmitteln, die auf Basis von Nanopartikeln, die 1000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares sind, Stabilität in die Tiefen des Gesteins bringen, entwickelten die Wissenschaftler der 19 Partner-Universitäten u.a. auch Hydrophobierungsmittel, die Oberflächen versiegeln und dem Lotuseffekt gleich Regenwasser abperlen lassen. Alle Nanomaterialien wurden zunächst unter Laborbedingungen getestet und später auch an den Originaloberflächen der Denkmäler angewandt. Ob die Materialien im realen Einsatz den erhofften Nutzen bringen, soll nun durch ein langfristiges Monitoring auf Basis von Lichttechnologie nachgewiesen werden – die Besonderheit dabei ist, dass der Einsatz der neuen Materialien getestet werden kann, ohne Teile des Gesteins durch die Entnahme von Proben zu zerstören.

Das sogenannte Opto-technical Monitoring, das verschiedene Bildgebungsverfahren kombiniert, wurde speziell für dieses Projekt am Lehrstuhl für Restaurierungswissenschaften in der Baudenkmalpflege der Universität Bamberg entwickelt. Im Gegensatz zu den Standardmethoden wie beispielsweise Bohrungen, die nur kleine Bereiche abdecken können, kann das neue Verfahren zusätzlich auch flächendeckende Aussagen über eine Testfläche von circa zwei Quadratmetern machen – zerstörungs- und berührungsfrei. Die Methode des Opto-technical Monitoring basiert auf einer Verknüpfung von hochauflösenden 3D-Verfahren, der VIS-Farbfotografie, der Ultraviolett-Fotografie und der Infrarot-Fotografie. Diese verschiedenen Techniken ermöglichen in Kombination einen Blick auf den Zustand des Originalgesteins vor und nach der Behandlung durch die Nanomaterialien. Denn während hochauflösende 3D-Aufnahmen der Oberflächenmessung dienen und den Zustand zum Zeitpunkt der Messung mit einer Genauigkeit von 0,3 Millimetern festhalten, weist die VIS-Farbfotografie auf Farbunterschiede an den Oberflächen hin. Bei der UV-Fluoreszenzfotografie und der Infrarot-Fotografie werden anorganische und organische Fremdmaterialien auf den Oberflächen sichtbar, also konservierende Überzüge oder auch biologischer Bewuchs wie Bakterienfilme, Flechten oder Moose.

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(Grafik: Max Rahrig, Katrin Vill, Christof Altmann/KDWT/Universität Bamberg 2017)

3D-Oberflächenvergleich einer Testfläche an der Kathedrale von Vitoria-Gasteiz: Durch den Farbverlauf werden Unterschiede zwischen zwei 3D-Scans, die im Abstand von einem Jahr angefertigt wurden, dargestellt. Grün: unverändert, blau: Verlust von Oberflächen bis zu 20 mm, gelb bis rot: Zuwachs der Oberfläche bis zu 1 mm.

Zunächst wurde mit dem Verfahren der Ist-Zustand der Originalgesteine gemessen und die Oberfläche dokumentiert. Nach einem Jahr führten die Wissenschaftler erneut Messungen durch – und zwar kurz nachdem die entwickelten Nanomaterialien auf das Gestein aufgetragen wurden. Der Vergleich der beiden Messergebnisse verdeutlicht die Schwachstellen des Gesteins, die fortschreitende Verwitterung und den Verlust historisch bedeutender Oberflächen. Um die langfristigen Auswirkungen der neu entwickelten Nanomaterialien und deren Witterungsbeständigkeit, zu überwachen, werden die Forscher in den nächsten zwei, fünf und acht Jahren weitere Messungen vornehmen. Die entwickelten Nanomaterialien sollen nun zur Marktreife gebracht werden. Für das Monitoring haben bereits die Dombauhütten weiteres Interesse angemeldet und auch Jahrhunderte alten Wandmalereien in Sri Lanka sollen mit der Methode überwacht werden.

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