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Standardisiert korrodierende Gläser als Sensoren für den Denkmalschutz


Die mittelalterlichen Kirchenfenster, einst als Abglanz der Ewigkeit geschaffen, unterlagen vom Tage ihrer Herstellung an dem Einfluß von reaktiven Gasen, Feuchtigkeit, Mikroorganismen und Temperaturwechseln. Schadanfällig sind sowohl die chemisch unterschiedlichen bunten Scherben als auch die aufgebrannte Bemalung (Bild 1). Zu ihrer sozusagen natürlichen Alterung kam mit der Industrialisierung vor allem des 19. Jahrhunderts eine immissionsbedingte Korrosion, die sich seit der letzten Jahrhundertwende katastrophal verstärkt hat ("Die Glasgemälde des Mittelalters: Verfall und Rettung" von Gottfried Frenzel, Spektrum der Wissenschaft, Juni 1984, Seite 30).

Wer all die zerstörerischen Umweltfaktoren einzeln mißt, vermag gleichwohl ihr Zusammenspiel nicht zu erfassen. Das gelingt dagegen mit eigens gefertigten, noch schneller korrodierenden Modellgläsern.

Im Mittelalter waren Quarzsand, Kalk und Pottasche die wesentlichen Rohstoffe für die Glasproduktion. Quarz besteht aus Siliciumdioxid, das aufgeschmolzen die Grundsubstanz liefert: Beim Erstarren bildet sich ein Silicium-Netzwerk aus – die Glasmatrix. Siliciumdioxid schmilzt jedoch ohne Zusätze erst bei mehr als 2000 Grad Celsius. Flußmittel wie Calcium (aus dem Kalk) und Kalium (aus der Pottasche) senken den Schmelzpunkt, und zwar um so mehr, je höher ihr Anteil im Verhältnis zum Silicium ist.

Mit der mittelalterlichen Technik waren lediglich Temperaturen bis zu 1200 Grad Celsius beherrschbar, so daß die sogenannten Kalk-Kalisilicat-Gläser siliciumarm und alkalireich sein mußten. Stabilisatoren wie Aluminium oder Phosphor, die das Netzwerk festigen, kamen eher zufällig über Verunreinigungen in die Schmelze. (Heutige Gläser werden bei etwa 1400 Grad Celsius geschmolzen; die verwendeten Flußmittel erlauben einen höheren Silicium-Anteil. Außerdem werden Stabilisatoren noch gezielt hinzugefügt.)


Korrosion an Glasoberflächen

Wasser korrodiert die Glasoberfläche durch eine Ionenaustauschreaktion: Protonen wandern in das Glas, Alkali-Ionen verlassen die Netzstruktur. So entsteht eine protonen- und wasserhaltige Gelschicht an der Oberfläche. Schadgase wie Schwefeldioxid (SO2) lösen sich in Wasser und bilden Säuren; die Konzentration der Protonen wächst, wodurch die Ionenaustauschreaktion beschleunigt wird. Diesen Effekt verstärken Stoffe wie Stickoxide (NOx) oder Ozon, die SO2 zu SO3 oxidieren. Anstelle der schwefeligen Säure befindet sich dann die erheblich aggressivere Schwefelsäure in Lösung. Stickoxide bilden in Wasser zudem Salpetersäure. Der Korrosionszustand der Kalk-Kalisilicat-Gläser ist darum ein Ausdruck des Zusammenwirkens mehrerer schädlicher Einflüsse. Mit dem Ziel, die Gefährdung historischer Glasfenster besser zu erfassen und die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen zu überprüfen, haben wir uns diesen eigentlich unerwünschten Effekt zunutze gemacht und aus einem mangelhaften Werkstoff einen Sensor entwickelt, der wie ein Dosimeter die kumulative Gesamtwirkung unterschiedlicher und zeitlich wie örtlich veränderlicher Umweltfaktoren erfaßt. Dazu haben wir den Alkali- und den Erdalkalianteil erhöht und auf Stabilisatoren völlig verzichtet, so daß die Korrosionsprozesse sozusagen im Zeitraffer – nämlich innerhalb von Monaten – sichtbare und quantifizierbare Schäden hinterlassen. Für verschiedene erwartete Belastungssituationen stehen derzeit acht standardisierte Glassorten zur Verfügung, die unterschiedlich schnell korrodieren und auf bestimmte Umweltbedingungen reagieren. Inzwischen wird die Methode, die durch eine VDI-Richtlinie als Prüfverfahren für Umwelteinflüsse im Sinne des Bundesimmissionsschutzgesetzes offiziell anerkannt ist, an mehr als 30 Sakralbauten in acht Ländern angewandt. Temperatur- und feuchtigkeitsbedingte Spannungen in der angegriffenen Glasoberfläche haben Mikrorisse zur Folge, die es den Schadstoffen ermöglichen, auch tieferliegendes Material anzugreifen. Die sauren Schadgase beschleunigen die Korrosion zudem nicht nur indirekt über die Verschiebung des Säuregrades, sondern bilden mit den ausgelaugten Kationen Sulfathydrate wie Gips oder Syngenit ; diese lagern sich auf der Glasoberfläche ab und bilden die als Wetterstein bezeichnete Kruste. Bei der Auswertung ist zu berücksichtigen, daß Regen die Wettersteinkruste abwaschen kann. Insgesamt trübt die fortschreitende Korrosion das Material. Durch Messen der Lichtabsorption erhält man somit ein integrales Maß der aggressiven Einflüsse am Einsatzort. Weil sowohl in der Gelschicht als auch in der Kruste OH-Gruppen und Wasser eingeschlossen sind, messen wir im nahen Infrarot-Spektrum die Absorption bei einer für diese Moleküle typischen Wellenlänge von etwa drei Mikrometern. Ergänzend sieht man unter dem Lichtmikroskop weitere Phänomene wie Fremdpartikel und Schmutzschichten, Mikrorisse oder deutliche Substanzverluste des Glases (Bild 2). Welche Korrosionsprodukte entstehen und wie sich die Ionenverteilung unterhalb der Oberfläche ändert, offenbaren spektroskopische Verfahren; unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt sich das Relief der Glasoberfläche.

Herstellung und Anwendung

Große Sorgfalt bei der Herstellung der Sensoren soll eine Vorschädigung weitgehend ausschließen: Analysereine Rohstoffe werden in Platintiegeln geschmolzen. Das gegossene und erstarrte Glas wird dann wasserfrei mit Präzisionssägen zu Plättchen von etwa zwei Quadratzentimetern Fläche und einem halben Millimeter Dicke geschnitten; ein kurzes Aufschmelzen der Oberfläche, die sogenannte Feuerpolitur, gleicht Beschädigungen durch das Sägen aus und garantiert eine reproduzierbare Oberflächenqualität.

Das sensitive Glasplättchen wird mit nur einer Oberfläche exponiert, die andere deckt ein korrosionsbeständiges Schutzglas ab. In Aluminiumfolien und einen Plastikrahmen eingefügt, hat der Sensor etwa die Größe eines Dias und läßt sich auf den zu untersuchenden Oberflächen beispielsweise aufkleben oder auflöten (Bild 3).


Überprüfen von Schutzverglasungen

Damit ist für die Denkmalpflege ein Werkzeug verfügbar, das die Exposition der mittelalterlichen Glasgemälde am jeweiligen Bau meßbar macht und – aufgrund des schnelleren Korrosionsablaufs – drohende Schäden drastisch vor Augen führt. Diese Methode eignet sich auch, um Maßnahmen wie Schutzverglasungen oder -beschichtungen sowie neuartige Reinigungs- und Restaurationstechniken auf Wirksamkeit beziehungsweise Unbedenklichkeit hin zu überprüfen.

Beispielsweise wurde zu Jahresanfang eine Vergleichsmessung an der Sankt-Elisabeth-Kapelle in Antwerpen abgeschlossen, die anhand mehrerer Fenster in verschiedenen Positionen drei Fragen klären sollte: Wie stark ist ein ungeschütztes Fenster durch Witterung auf der Außen- beziehungsweise durch Kondenswasser auf der Innenseite gefährdet? Welchen Schutz bringt eine belüftete zusätzliche Außenverglasung? Wie wirken Lüftungsklappen des Heizungssystems in der unmittelbaren Nähe eines Fensters?

Sowohl die Wettereinflüsse als auch Kondenswasser auf der Innenseite hinterließen deutliche Schäden. Dabei zeigte sich, daß die Lüftung das entsprechende Fenster innen deutlich trockener hielt. Die Schutzverglasung reduzierte die Schäden um 40 Prozent auf der Außen- und um 25 Prozent auf der Innenseite; sie lag damit nach bisherigen Erfahrungen im Durchschnitt. Unterschiede zwischen verschiedenen Stellen des schutzverglasten Fensters waren nicht festzustellen.


Glas-Sensoren am Brandenburger Tor

Auch die steinernen Fassaden geschichtsträchtiger Bauwerke bröckeln unter Korrosion und müssen aufwendig restauriert werden. Dafür können Glas-Sensoren ebenfalls als zuverlässige Dosimeter dienen und gezielte Messungen der einzelnen Einflußgrößen ergänzen.

Im Auftrag der Berliner Senatsverwaltung und gefördert von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt in Osnabrück untersuchten wir beispielsweise die Auswirkungen des anwachsenden Verkehrsaufkommens auf das Brandenburger Tor. Als Referenzorte im Berliner Stadtgebiet dienten der Wasserturm am Prenzlauer Berg und eine Meßstelle im Grunewald. Die Kampagne begann im Winter und sollte ursprünglich ein Jahr dauern. Bereits nach drei Monaten waren aber die Schäden so weit fortgeschritten, daß die Messungen nach einem halben Jahr beendet wurden.

Um den Einfluß der Schadgase von dem des Regens zu trennen, konstruierten wir Meßleisten aus zwei Reihen von Sensoren, von denen die außen liegende der Witterung ausgesetzt, die andere abgeschirmt ist. Am Brandenburger Tor wurden drei Leisten angebracht: an der Quadriga auf der windzu- und auf der windabgewandten Seite sowie in einer geschützten Scheinwerfernische. Auch am Wasserturm wurden mehrere Windsituationen überprüft, desgleichen im Grunewald durch einen Meßpunkt in 25 Metern Höhe auf einem Turm sowie einen weiteren, der nur vier Meter über dem Erdboden lag.

Bei dieser Untersuchung war deutlich zu erkennen, daß die Wettersteinkruste durch Regen abgewaschen wird, so daß die Außenleisten durchgängig geringere Absorptionswerte ergaben als die schlagwassergeschützten Sensoren. Erwartungsgemäß zeigten unter den Außenleisten diejenigen die geringsten Korrosionsschäden, die der Witterung kaum ausgesetzt waren, also in der Nische des Brandenburger Tores und an der bodennahen Meßstelle im Grunewald. Wesentlich höhere Werte ergaben sich an der Quadriga, insbesondere in Hauptwindrichtung; noch stärker aber ließen abtropfendes Wasser und hohe Partikelemission aus den Schornsteinen umliegender Wohnhäuser die Außensensoren am Wasserturm korrodieren.

Insbesondere die Schäden an den Sensoren der Innenleisten zeigen, daß die Gefährdung des Brandenburger Tores sehr hoch ist. Im Grunewald belegt die bodennahe Messung die Filterwirkung des Waldes, während über den Wipfeln keineswegs Ruh ist, sondern der Wind mit hoher Geschwindigkeit die Schadstoffe der Stadt transportiert. Derzeit wird geprüft, ob die Untersuchungen im Rahmen einer Langzeitstudie, insbesondere auch in den Sommermonaten, fortgeführt werden sollen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1994, Seite 102
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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