Die Kunst, Schmutz von Patina zu trennen

Das Restaurieren technischer Objekte erfordert Hingabe, Feingefühl und viel Zeit. Doch Zeit ist in jeder Branche ein mit Geld aufzuwiegender Faktor und so suchen auch Restauratoren stets nach Möglichkeiten, ihre Arbeitsprozesse zu optimieren, ohne das Ergebnis zu gefährden.

Dreh- und Angelpunkt einer Restaurierung ist der Substanzerhalt, die Bewahrung eines authentischen historischen Erscheinungsbildes und die Reduktion physiko-chemischer Risikofaktoren.

„Wir Restauratoren befolgen einen Ethik-Codex, der sich auf etliche Grundsatzpapiere stützt, das älteste Dokument ist hierbei die Charta von Venedig von 1964“, erläutert Michael Jaroschewski, der Restaurator für technisches Kulturgut bei den Staatlichen Kunstsammlungen Dresden, kurz SKD, ist. „Ein Restaurator wird immer alles daran setzen, um das historische Objekt vor weiteren Schäden zu bewahren.“

Dabei ist die Gefahr, dass tatsächlich der funktionale oder physische Zustand weiter verschlechtert wird, meist nicht so groß wie das Risiko, die authentischen Spuren der verstrichenen Zeit im Übereifer zu weit abzutragen. Es ist also eine Gratwanderung zwischen dem Abtragen von Verschmutzungen und dem Erhalt historisch wertvoller Patina. Unter diesen Voraussetzungen wird sogar so etwas vermeintlich unverwüstliches, robustes wie Schmiedeeisen und allgemein Eisenmetalle, wie Restauratoren die früher üblichen Eisenlegierungen zusammenfassend bezeichnen, zu einem höchst sensiblen Werkstoff. Von daher hat der Begriff des Reinigens in der Restaurierungsethik eine völlig andere Bedeutung als in der industriellen Teilereinigung – und doch handelt es sich um dasselbe Grundprinzip: Reinigen bedeutet das Entfernen unerwünschter Stoffe – also Verschmutzungen – von einer Oberfläche. Der Unterschied liegt dabei in der Definition der Verschmutzung.

Was für ein zu restaurierendes oder zu konservierendes Objekt unerwünscht ist, unterscheidet sich gravierend von den Sauberkeitsanforderungen an ein zu lackierendes oder zu fügendes industrielles Bauteil. Wer in einem Museum jahrhundertealte Objekte bewundert, macht sich selten Gedanken darüber, in welchem Zustand sie irgendwann einmal an die jeweilige Kunstsammlung herangetragen wurden. „Ich habe letztens von einem Turmuhrwerk gehört, das wurde ausgebaut und dann über lange Zeit in einem großen Garten vergessen“, schildert Jaroschewski einen Extremfall. „Sein Zustand war trotzdem noch erstaunlich gut.“ Große mechanische Uhrwerke, die mitunter über Jahrhunderte in Kirchtürmen oder zentralen Gebäuden einer Gemeinde der Bevölkerung die Zeit anzeigten, waren häufig Witterungseinflüssen von saurem Regen bis hin zu vernebeltem Düngemittel vielem ausgesetzt, was hinauf unter die Dächer wehen konnte. Verhärtete Schmierstoffe, Staub und durch aggressive Bestandteile von Tierausscheidungen geförderte Korrosion bilden mit dem Objekt regelrecht verwachsene Krusten. Dass da mitunter auch noch Moos darauf wächst, ist meist das kleinste Problem. Noch dazu gibt es viele unterschiedliche Materialien, von holzwurmbefallenen Aufzugswalzen bis hin zu Lagern aus Bronze, Kupfer oder Messing, die nicht in Mitleidenschaft gezogen werden dürfen.

Die Aufgabe der Restauratoren ist es, diese unansehnlichen Krusten und Verschmutzungen zu beseitigen, die Geschichte aber, die die Oberfläche zu erzählen hat, zu erhalten und den Museumsbesuchern zugänglich zu machen. Es ist ein Reinigungsprozess sehr besonderer Art, der häufig in mühevoller Kleinarbeit mit viel Augenmaß und Hingabe per Skalpell und mit kleinen Bürstchen erfolgt. Doch auch wenn Restauratoren naturgemäß idealistisch veranlagt sind, stellt sich vor und auch nach einem solchen Projekt stets die Frage, wer das bezahlen will und kann. Prozessoptimierung und Zeitersparnis sind deshalb auch für Restaurierungen stets ein Thema und immer wieder der Anlass für Forschungsprojekte. Aber auch diese müssen natürlich finanziert werden.

„Niemand entwickelt normalerweise eine Maschine, ein Gerät oder ein Verfahren für die Restaurierung“, schildert Frank- Holm Rögner vom Fraunhofer FEP das Dilemma der Restauratoren. „Ihnen bleibt nur, zu schauen was es für Verfahren für die Industrie gibt und das eine oder andere, dass irgendwie passend erscheint, für die eigenen Zwecke zu adaptieren. Das weckt natürlich unseren Ehrgeiz als Fraunhofer-Institut, hier gelegentlich etwas dazu beizutragen.“

Das Dresdner Fraunhofer FEP arbeitet schon seit vielen Jahren mit den Staatlichen Kunstsammlungen Dresden zusammen und als Rögner sich in einem anderen Zusammenhang mit dem Vakuum-Saugstrahlgerät der Firma Systeco beschäftigte, kam ihm der Gedanke, dass das für solche Restaurierungsprojekte gut geeignet sein könnte. Er beriet sich mit Dr. Michael Mäder aus der Abteilung Forschung und wissenschaftliche Kooperation der SKD und beide waren sich einig, dass hier Grundlagenarbeit sinnvoll wäre.

„Wenn man den Sinner'schen Kreis bemüht, um ein geeignetes Verfahren zur Reinigung zu finden, hat der Einsatz geeigneter Chemie oft einen sehr effektiven Anteil an der Lösung einer Reinigungsaufgabe. Aber darauf lässt sich kein Restaurator ein“, erklärt Rögner. „Denn er wird die Flüssigkeiten und ihre Überreste nie wieder vollständig aus den porösen Korrosionsschichten herausbekommen und die Korrosion wird in der Folge stärker und schneller voranschreiten. Da bei den beschriebenen Verschmutzungen und Materialien Wärmeeinwirkung als Reinigungseffekt ausgeschlossen werden kann, bleibt nur die Mechanik übrig. Genau das wenden die Restauratoren ja bisher an. Also muss es unser Ziel sein, die dafür benötigte Zeit zu verkürzen. Und dafür bietet das Vakuum-Saugstrahlen erhebliches Potenzial, das wir nun untersucht haben.“

„Wir Restauratoren setzen das Druckluftstrahlen mit feinen Düsen und sensitiven Strahlmitteln durchaus ein“, so der Restaurator. „Die Verfahren sind aber mit Vorsicht zu genießen und die Regulierung und Sicht auf die zu strahlende Fläche ist sehr eingeschränkt“, berichtet der Restaurator aus seiner Erfahrung. Es dürfte für einen Restaurator der Stoff sein, aus dem Albträume sind, wenn er auf einen Knopf drückt oder an einem Hebel zieht und noch bevor er reagieren kann, das Objekt bis auf das blanke Metall abgestrahlt ist.

„Das Vakuum-Saugstrahlen jedoch bietet diesbezüglich einige Rahmenbedingungen, die sehr vielversprechend sind“, erläutert Mäder. „Insbesondere in Bezug auf die Dosierbarkeit und die Sicht auf die zu bearbeitende Oberfläche während des Prozesses erschien es uns sehr gut geeignet.“ Nachdem es darum geht, durch Umwelt hervorgerufene Schäden an den Objekten zu beheben, gelang es, Fördermittel der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, DBU zu erhalten und man konnte loslegen.

Herausforderung Vakuum

Auf einer ebenen Fläche ist das Erzeugen des notwendigen Vakuums sehr einfach, da man ein abdichtendes Gehäuse verwenden kann, in dem sich die Düse in einem gewissen Rahmen frei bewegen lässt. Ist ein Bereich bearbeitet, versetzt man die Haube. Kleine geometrisch komplexe Teile passen problemlos in eine Vakuumkammer, bei größeren 3D-Teilen ist das schon schwieriger.

„Wir haben schon einige Ideen, wie man eine solche Arbeitskammer an Objekte anpassen kann“, berichtet Mäder. „Zum Beispiel lässt sich bei durchbrochenen Strukturen die Strahlhaube von hinten mit einer Abdeckung und einer entsprechend dicken Moosgummidichtung abdichten, die Abstände von bis zu drei Zentimeter überbrückt. Dennoch ist klar, dass das es mit zunehmender Größe und Komplexität immer schwieriger wird.“

Das richtige Strahlmittel macht die Musik

Das Vakuum-Saugstrahlen ist ein Trennverfahren und dabei gilt es die Frage zu beantworten, was abgetrennt werden soll, was auf keinen Fall die Oberfläche verlassen darf und wie sich der Zielbereich eingrenzen lässt. Da die restauratorischen Ziele stets sehr individuell sind, ist dies eine schwierige Aufgabe, denn es ist ein sehr großer Unterschied, ob ein Turmuhrwerk wieder für eine Ausstellung gangbar gemacht werden soll, oder ob es so erhalten werden soll, dass es seine mitunter bis zu 400 Jahre alte Geschichte demonstriert.

„Ein Restaurator hat immer große Bedenken, sein Objekt aus der Hand zu geben und in irgendeiner Form einer Maschine anzuvertrauen“, schildert Rögner. „Deshalb braucht er Hilfsmittel und Sensorik, mit denen er sehr genau beobachten und einschätzen kann, was passiert. Und dass das Vakuum-Saugstrahlen sehr gut kontrollierbar ist, konnten wir sogar mit einer eigentlich viel zu großen acht Millimter Industriedüse zeigen.“

Versuche mit einer optimierten Düsenkontur zeigten, dass Querschnitte bis hinunter zu drei Millimetern funktionieren. Um aber überhaupt in einer akzeptablen Zeit zu Ergebnissen zu kommen, mussten für diese Grundlagenuntersuchungen einige Parameter konstant gehalten werden, dazu gehörten die Düse, der Strahlwinkel und die Saugleistung. Ein zentraler Parameter bei den Untersuchungen stellte das verwendete Strahlmittel dar, getestet wurden 13 verschiedene Strahlmittel von Edelkorund über Strahlglas und Asilit, einem Strahlmittel aus Schlacke bis hin zu Kunststoffmaterial, Nussschale, Weizenstärke und akawipe, das sind sehr fein gemahlene vernetzte native Öle, zum Beispiel Rizinusöl. Diese Strahlmittel wurden mittels Versuchsreihen in abrasive Strahlmittel unterteilt, die bei jedem Durchgang Material abtragen, und in sensitive Strahlmittel, die ab einem bestimmten erreichten Reinigungsgrad keinen weiteren Abtrag verursachen.

Dabei gab es auch überraschende Ergebnisse, so zeigte sich das akawipe sehr gut geeignet ist, um Verschmutzungen von spröden, korrodierten Oberflächen abzutragen. Der Effekt ist dabei der eines sanften Tupfens, der Staub bleibt an dem Ölpartikel kleben und wird abgelöst. Nicht erwartet hätten die Spezialisten vom Fraunhofer-Institut auch, dass so etwas harmlos wirkendes wie Weizenstärke auf einer polierten Edelstahloberfläche unter dem REM-Mikroskop sichtbare Einschläge hinterlässt.

Hyperspektral-Kamera zur Prozessanalyse

Als wichtiges Hilfsmittel für einen geordneten Prozessstart installierten die Fraunhofer FEPMitarbeiter einen Ziellaser an der Strahldüse. Auch wurde eine Endoskop-Kamera in einem Kollimator, also einer Schutzhülle, installiert, damit die Linse durch abprallende Strahlpartikel nicht vorzeitig erblindet. Im nächsten Schritt wurde getestet, welches Beleuchtungskonzept geeignet ist, damit umherfliegenden Partikel das Kamerabild nicht zu sehr stören. Dabei zeigte sich, dass es durch eine geschickte Beleuchtung möglich ist, mit der Kamera erfreulich nahe an das Objekt heranzukommen, und dass noch weiteres Optimierungspotential besteht. Ebenfalls beschäftigte die Forscher die Frage, ob man dem Restaurator nicht ein Hilfsmittel an die Hand geben könnte, um das Strahlergebnis zu objektivieren. Denn es ist nicht leicht, den Punkt zu finden, an dem die Verschmutzung aufhört und die Geschichte anfängt. „Wir kamen im Gespräch mit unseren Kollegen vom Fraunhofer IWS auf eine Hyperspektral- Kamera, die mit einer Faseroptik den Prozess auch online monitoren könnte“, berichtet Rögner. „Unsere IWS-Kollegen haben deshalb in einem ersten Test mit einem stationären HSI-System geprüft, ob wir so Unterschiede in den Strahlbildern feststellen können.“ Hyper Spectral Imaging, kurz HSI, ist eine Methode, wo eine spezielle Kamera für jeden einzelnen Bildpunkt ein komplettes Spektrum über einen definierten Lichtwellenlängenbereich aufnimmt. Daraus resultieren je nach Auflösung tausende Bilder für eine Fläche. Anschließend lässt sich analysieren, in welchen Frequenzbereichen Änderungen in den Reflexionseigenschaften auftreten.

Der Aufwand ist sehr hoch, trotzdem gibt es durch KI Möglichkeiten, den Prozess zu beschleunigen und über eine sogenannte Hauptkomponentenanalyse (PCA) lassen sich die zahllosen Faktoren effektiv reduzieren. Scoreplot heißt diese grafische Darstellung. In dieser Darstellung haben nahe beieinander liegende Punkte ähnliche optische Eigenschaften. Wird zum Beispiel beim Strahlen nur ein Ausschnitt von wenigen Millimetern Durchmesser beobachtet, geht es nur um wenige Pixel und die die Datenmenge bleibt handhabbar. Dann wäre es möglich im Prozess das Wandern der Punkte zu beobachten und eindeutig festlegen, wann der Strahlvorgang abgeschlossen ist. „Das wäre ein wertvolles Hilfsmittel für den Restaurator, neben dem visuellen Eindruck, seinen Strahlvorgang zu bewerten“, freut sich Rögner. „Sicher stehen wir hier bei Vielem noch ziemlich am Anfang und es muss zweifellos noch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit investiert werden, bevor hieraus wirklich ein praxistaugliches Werkzeug wird. Allerdings entspringen bereits jetzt aus diesem Projekt zahlreiche Erkenntnisse, die man durchaus auch zurück in die Industrie spiegeln kann, zum Beispiel um die Bewertung von Strahlprozessen zu objektivieren. Das gleiche gilt für unsere Erkenntnisse bezüglich der Strahlmittel. Der Vorteil bei einer solchen auf den ersten Blick völlig anderen Forschungsarbeit ist, dass sich häufig Zusammenhänge und Erkenntnisse ergeben, die man vorher weder erwartet noch für relevant gehalten hätte, die im Nachhinein aber wiederum neue Anwendungsperspektiven aufzeigen.“

CB

 Fraunhofer FEP

www.fep.fraunhofer.de

Danksagung

Wesentlichen Anteil am Gelingen des Projekts haben Toni Lorenz (zu dieser Zeit Bachelor- Student an der FH Potsdam), Maria Willert (Restauratorin, SKD) und Ludwig Deckert (FEP) sowie die Kollegen des Fraunhofer IWS mit ihren Ideen zur HSI-Analyse. Ein Scoreplot verbessert die objektive Einschätzung, nahe beieiander liegende Punkten bedeuten ähnliche Oberflächeneigenschaften. Grafik: Fraunhofer IST Kategorisierung der auf Seite 12 zusammengestellten Strahlmittel, die sensitiven Strahlmittel sind grün dargestellt. Die Projektpartner bedanken sich bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die großzügige Förderung des Projektes unter dem Förderkennzeichen "37875/01-45 ResWiMet