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Denkmalschutz: Blick durch die Patina

Eine Kombination von optischen und thermischen Phänomenen ermöglicht, den Erhaltungszustand metallener Kulturgüter zu bestimmen.


Ob Reiterdenkmal oder abstrakte Bronzeskulptur, im Freien aufgestellt fressen Schwefelverbindungen und andere aggressive Stoffe in Luft und Regen an der Substanz. Korrosion scheut keine Kulturgüter, greift historische Kupferdächer ebenso an wie zeitgenössische ungeschützte Metalloberflächen oder mit Schutzschichten versehene. Um das kulturelle Erbe zu bewahren, entwickeln Materialwissenschaftler neue Konservierungsmethoden, doch dazu benötigen sie Daten über den jeweiligen Erhaltungszustand eines schutzwürdigen Objekts, suchen Antworten auf Fragen wie: Wie dick ist die Patina genannte Korrosionsschicht? Ist sie homogen aufgebaut oder besteht sie aus verschiedenen Schichten? Gibt es Risse im Metall?

Es herrscht keineswegs Mangel an Möglichkeiten, diese Fragen zu beantworten. Röntgenbeugung hilft, den strukturellen Aufbau der Korrosionsschicht zu vermessen. Verschiedene Verfahren regen die darin enthaltenen Atome an, Licht oder Elektronen auszusenden, und untersuchen dann deren Energiespektrum. Wieder andere Methoden ionisieren die Atome, sodass sie sich von einem Magnetfeld nach ihren Massen auftrennen lassen. Diese und weitere Techniken setzen aber die Entnahme einer Probe, mithin die Beschädigung der Oberfläche, voraus; überdies erfordern sie einen nicht geringen maschinellen Aufwand, der nur im Labor verfügbar ist. "Zerstörungsfrei" wären optische Verfahren, die Licht-Reflexion von Oberflächen auswerten, doch gerade die Patina auf Kupfer und Bronze absorbiert elektromagnetische Wellen sehr stark, erscheint dem Auge aus diesem Grunde auch dunkel und gräulich.

Vor nunmehr zwanzig Jahren entdeckten Danièle Fournier und Claude Boccara, damals an der Hochschule Pierre und Marie Curie in Paris, den so genannten Mirage-Effekt (beide arbeiten heute an der Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles, die Boccara leitet). Der Name entspricht dem des natürlichen Vorbilds der Fata Morgana (französisch: mirage), bei der bodennahe Luftschichten durch die Sonne so stark erhitzt werden, dass sie das Licht spiegeln (was durstigen Wüstenwanderern Wasser vorgaukelt). Die beiden Wissenschaftler nutzten diesen Effekt für ein heute als "thermische Ablenkung" bezeichnetes Messverfahren.

Es verwendet einen modulierten, das heißt periodisch in seiner Intensität veränderten Laserstrahl, der geringfügig in die zu untersuchende Oberfläche eindringt und dabei Energie verliert. Das Material erwärmt sich, sodass als Folge eine Temperaturwelle zurück zur Oberfläche wandert. Nun heizt sich die unmittelbar angrenzende Luftschicht auf und ändert damit ihre optische Dichte, also ihre Brechkraft. Ein zweiter, auf die Oberfläche gerichteter Laserstrahl wird deshalb anders reflektiert als bei kühler Luft, und zwar um so ausgeprägter, je stärker die Brechzahl variiert.

Diese Ablenkung wird gemessen, aus dem Verlauf lässt sich auf die Wärmeleitwerte der Oberflächenschichten schließen, die aus Metall und Korrosionsprodukten bestehen. Bei genauerer Betrachtung setzt sich die Ablenkung sogar aus zwei Komponenten zusammen. Erstere wird vor allem von der Oberflächentemperatur beeinflusst, und drastische Wertänderungen weisen auf Einschlüsse von größeren Fremdkörpern, beispielsweise Rußpartikeln, oder auf Schichtablösungen hin. Der zweite Anteil spiegelt den Wärmefluss in der Fläche. Er wird überall dort Sprünge machen, wo Risse und Störstellen die Oberfläche durchdringen.

Prototyp für den Einsatz im Freien


Je besser die Korrosionsschicht Wärme leitet, desto tiefer dringt die Lichtwelle ein. Materialdichte, Wärmekapazität und vor allem eine hohe Modulationsfrequenz des anregenden Laserstrahls begrenzen die Ausbreitung. Durch Änderung der Frequenz lassen sich deshalb Patinaschichten in unterschiedlichen Tiefen untersuchen und auch – bei bekannten Wärmeleitungskoeffizienten – die Schichtdicken bestimmen. Die im Grunde einfache Anordnung enthält also eine Vielzahl von Informationen und eignet sich für die zerstörungsfreie Messung.

Das zeigten wir an einem alten Kupferdachziegel. Er hatte 65 Jahre lang auf dem Stockholmer Rathaus seinen Dienst verrichtet. Die der Witterung ausgesetzte Seite war von grüner Farbe, Ergebnis der Kupfer-Schwefel-Verbindung Brochantit in der Patina, die Innenseite war braun, denn dort schimmerte noch das Kupfer durch. In diesem Stadium der Entwicklung mussten wir allerdings noch Proben von zehn mal zehn Quadratmillimeter entnehmen. Die fotothermische Ablenkung offenbarte beispielsweise Rußpartikel, die mit bloßem Auge kaum erkennbar waren.

Nachdem sich das Verfahren im Labor bewährt hatte, entwickelten wir einen Sensor-Prototyp für den Einsatz im Freien (siehe Foto vorige Seite). Der Anregungsstrahl wird darin über einen Lichtwellenleiter geführt und über ein Linsensystem fokussiert. Ein weiterer Lichtwellenleiter bringt den Messstrahl heran. Das reflektierte Licht gelangt über Bündel von Lichtfasern zu einer außerhalb der Sonde befindlichen Fotodiode, die außer der Intensität des Lichts auch den Ort bestimmen kann, an dem der Strahl sie trifft.

Neben der praktischen Frage, ob der gegenwärtige Zustand eines metallenen Kulturobjekts sofortige Maßnahmen zur Rettung erfordert, ist dieser Sensor auch in die Entwicklung eines physikalisch-chemischen Modells eingebunden, das es ermöglicht, den Zeitpunkt einer erforderlichen Restauration abzuschätzen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2000, Seite 88
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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