Je leest:

Schilderijen schoonmaken met lasers

Schilderijen schoonmaken met lasers

Auteur: | 1 november 1999

Chemische verwering, stof, rook, vergelend vernis, slecht uitgevoerde restauraties en overschilderingen: het zijn allemaal bedreigingen voor oude schilderingen. Het restaureren van dat culturele erfgoed is een moeilijk en tijdrovend ambacht. In de toekomst neemt een laser wellicht het poetswerk over.

Soms kunnen we ons collectief deerlijk vergissen. Bij de restauratie van de fresco’s van Michelangelo in de Sixtijnse kapel kwamen kleuren tevoorschijn die zo fleurig en helder waren, dat ze niet strookten met onze voorstelling van het tijdsbeeld waarin de meester zijn fresco’s aanbracht. Eeuwenlang mensenbezoek verontreinigde de lucht met zweet, stof, rook en andere viezigheid. Eeuwenlang kreeg deze luchtverontreiniging de gelegenheid diep te penetreren in de meesterlijk aangebrachte kalkschilderingen op muren en plafond van de Sixtijnse kapel. Kleuren werden dof en donker, versomberden onder een klimaat dat ze nooit hadden verdiend. Tot de restauratie. Daarbij speelden de vaklui het klaar om de door de eeuwen heen aangetaste meesterwerken in de originele staat terug te brengen. Michelangelo bleek een stuk kleurrijker dan iedereen had gedacht.

Schilderijen, muurschilderingen en beeldhouwwerken lijden niet alleen onder een verontreinigde atmosfeer. Sommige aanpassingen zijn rigoureuzer. De Nachtwacht, waarvan ooit repen zijn afgesneden omdat het schilderij te groot was, kan nooit meer worden teruggebracht in de originele staat. Andere gevallen zijn milder.

Sommige schilderijen zijn slechts vies, andere zijn geheel of gedeeltelijk overgeschilderd, sommige zijn gerestaureerd door een amateur die onbedoeld meer kwaad dan goed deed. Een aanvankelijk kleurloze vernislaag op een schilderij vergeelt na verloop van tijd. Muur- en plafondschilderingen raakten uit de mode en verdwenen onder een pleisterlaag. Vaak komen gedeelten bij toeval weer tevoorschijn, waarbij het de kunst is de gehele afbeelding zonder beschadigingen onder de eeuwenoude kalklaag vandaan te krijgen.

Het restaureren en schoonmaken van schilderijen is een ambacht waar een lange opleiding, veel kennis van zaken en liefde voor het vak en het object bij komen kijken. Het is een monnikenwerk, waarbij de restaurator met scalpel, wattenstaafje en penseel te werk gaat en moet inschatten wanneer de ene vernis- of verflaag verwijderd is en de andere bloot komt te liggen.

De traditionele manier om een schilderij te restaureren is een moeizaam en tijdrovend ambacht. Hier de restauratie van ‘De Joodse Bruid’ van Rembrandt, uitgevoerd door het Rijksmuseum in Amsterdam. (bron: Pieter Boersma)

Laserstation

Het contrast in sfeer tussen dit ambacht van restaurator en het prototype laserstation bij Art Innovation in Hengelo is groot. Randapparatuur zoemt rondom een uv-laser, waarvan de intense doch onzichtbare straal middels een optische arm naar een middeleeuws schilderij wordt geleid. Microgram voor microgram verwijdert de laser de ongewenste verflaag van het oppervlak.

Speciale detectie-apparatuur en een computer volgen het schoonmaakproces continu. De hightech-opstelling staat in contrast met de culturele uitstraling van het schilderij. De techniek om schilderijen met een laser te restaureren, staat nog in de kinderschoenen. Het voornaamste punt van aandacht is momenteel het minimaliseren van de risico’s. Als je een Rembrandt restaureert, mag het niet gebeuren dat een paar jaar later de verf verkleurt.

De lasermethode is echter veelbelovend, met name voor klussen die met traditionele restauratiemethoden niet of nauwelijks kunnen worden behandeld. De techniek is een waardevolle aanvulling voor de kunstrestauratie, maar zal nooit de restauratoren van vlees en bloed kunnen vervangen.

Schoonpoetsende lasers zijn niet nieuw. Infraroodlasers zijn al twintig jaar in gebruik voor het schoonmaken van stenen beelden. De klus is in dit geval veel eenvoudiger dan in het geval van schilderijen. De laag vuil absorbeert het infrarode licht erg goed, terwijl het stenen beeld zelf er ongevoelig voor is. Voor schilderijen ligt dat heel anders. Juist de pigmenten en de bindmiddelen in verf zijn erg gevoelig voor licht, terwijl infrarood licht bovendien relatief ver doordringt in de verflaag.

Toen onderzoekers van de Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH) in Griekenland een prototype laserstation voor het restaureren van schilderijen gingen bouwen, kozen ze dan ook voor een ultravioletlaser in plaats van een infraroodlaser. Ultraviolet licht dringt veel minder ver door in de verflagen, en is daarom geschikt om de ongewenste lagen micrometer voor micrometer te verwijderen. De doelstelling van de Grieken was een laserstation ontwerpen dat schilderijen en iconen selectief kan ontdoen van vernis, schimmels en overschilderingen.

Een dergelijk apparaat heeft twee basisingrediënten. Het eerste is een laser met een dusdanige capaciteit dat hij per keer slechts enkele micrometers materiaal van het oppervlak van het schilderij verwijdert. Het tweede, essentiële ingrediënt is een meetapparaat dat continu de samenstelling detecteert van het materiaal dat van het schilderij afkomt. De schoonmaakoperatie dient immers te stoppen voordat de verflagen van het oorspronkelijke schilderij boven komen te liggen. De vernislaag wordt nooit volledig verwijderd, om elke beschadiging van de originele laag te voorkomen.

Voortbouwend op de bevindingen van het FORTH-instituut heeft het Hengelose bedrijf Art Innovation een laserstation ontwikkeld dat op grotere schaal schilderijen moet gaan reinigen. De eerste zorg is om het apparaat uitgebreid te testen en te onderzoeken. Daartoe werkt Art Innovation in een samenwerkingsverband met liefst veertien Europese bedrijven en onderzoeksinstituten, waaronder het FOM-instituut voor Atoom en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam. Het doel is om nauwkeurig te bepalen binnen welke randvoorwaarden een laser nuttig en onschadelijk kan worden ingezet bij het restaureren van schilderijen.

De complexe laagstructuur van een schilderij.

Moleculair netwerk

Een schilderij is opgebouwd uit verschillende lagen. De basis is bijvoorbeeld hout, zoals in het geval van de meeste middeleeuwse iconen. Later gebruikten de kunstenaars veelal linnen doek. Op de basislaag treffen we allereerst een grondlaag aan, waarop dan de verschillende verflagen zijn aangebracht. Elke laag heeft een dikte van 10 tot 100 micrometer. De laatste laag is veelal een vernislaag, die tot doel heeft het schilderij een mooie glans te verlenen en die bovendien de verflagen beschermt.

Tijdens de veroudering van een schilderij vinden er talloze chemische en fysische processen plaats in de complexe laagstructuur. Onder invloed van zuurstof en licht vinden bijvoorbeeld in het vernis chemische reacties plaats, waardoor lange molecuulketens ontstaan. Onderling vormen deze ketens verbindingen (de zogenaamde cross links), waardoor een moleculair netwerk ontstaat.

Traditioneel gebruiken restauratoren scalpels (mechanisch) of oplosmiddelen (chemisch) om vuil, vernis en overschilderingen te verwijderen. Dit kan riskant zijn voor het object, omdat mechanische trillingen de verfstructuur kunnen wijzigen. Oplosmiddelen kunnen te ver doordringen in de verflagen en daar reageren met de pigmenten en de bindmiddelen, of de ordening van moleculen verstoren. Dergelijke processen zijn zeer moeilijk in de hand te houden.

In sommige gevallen zijn kunstwerken niet of niet veilig op de traditionele manier te restaureren. De gebruikte oplosmiddelen zijn dan bijvoorbeeld niet meer in staat het complexe netwerk van molecuulketens in verouderd vernis op te lossen en te verwijderen. Dit zijn gevallen waarbij een laser uitkomst kan bieden.

Testschilderijen

Het onderzoeksproject van Art Innovation richt zich op het vergaren van kennis over de fysische en chemische processen die optreden als een schilderij blootstaat aan ultraviolet laserlicht. De onderzoekers maakten daartoe een reeks testschilderijen. Die bestaan uit verschillende verflagen met het bindmiddel ei tempera, en verschillende soorten vernis. Van ei tempera zijn de chemische veranderingen tijdens de veroudering uitgebreid onderzocht en goed bekend.

Door de vernislagen met een laser te verwijderen of zelfs rechtstreeks op de verflagen te schieten, onderzoekt men de chemische en mechanische veranderingen in het achterblijvende materiaal. De laser produceert licht met een golflengte van 248 nanometer, dus in het ultraviolette gebied. Wanneer dit laserlicht op een verf- of vernislaag valt, treden zeer uiteenlopende processen op: chemische, thermische en zelfs mechanische.

Samen hebben deze processen tot gevolg dat er materiaal wordt verwijderd. Dat heet laser-ablatie.

Materiaal verwijderen

De chemische invloed van de laser ontstaat doordat de organische moleculen in de verf- of vernislaag een laserfoton absorberen, waardoor een chemische binding breekt. Dat betekent dat de laser de energie verschaft voor het laten plaatsvinden van een chemische reactie.

Grotere moleculen breken daardoor in stukken, die vervolgens vrijkomen uit het oppervlak. Een ander gevolg van de invallende laserbundel is dat het materiaal ter plaatse opwarmt. De hogere temperatuur zorgt dat er moleculen uit het oppervlak vrijkomen (verdampen). Dit heet thermische ablatie. Ten slotte laat de laserbundel zich ook mechanisch gelden: vooral bij een hoog laservermogen veroorzaakt de invallende bundel een schokgolf door de verflaag.

De laserbundel warmt de verflagen plaatselijk op en leidt bovendien tot het ontstaan van reactieve deeltjes, de zogenaamde radicalen. Op langere termijn kunnen deze effecten leiden tot degradatie van de verflagen. Daarom is het van groot belang om de instellingen van het lasersysteem zó te kiezen, dat de schade aan de onderliggende lagen minimaal is.

Pigment dat rechtstreeks in aanraking komt met ultraviolet laserlicht, zal in de meeste gevallen verkleuren. Als het laserstation wordt ingezet om een vernislaag te verwijderen, is het daarom noodzakelijk een dun laagje vernis te laten zitten om de verflaag te beschermen. Een belangrijk doel van het onderzoek is de gewenste dikte van het achterblijvende vernislaagje vast te stellen.

Proces volgen

Een essentiële voorwaarde voor het welslagen van de schoonmaakbeurt is de mogelijkheid om het proces direct te kunnen volgen. Je moet immers bepalen wanneer er voldoende materiaal is verwijderd, zodat je tijdig stopt en niet het schilderij onherstelbaar beschadigt. Daarvoor gebruikt het laserstation een spectroscopische techniek met de prozaïsche naam Laser Induced Breakdown Spectroscopy, afgekort tot LIBS.

LIBS werkt als volgt. De laserbundel pompt plaatselijk zeer veel energie in het oppervlak. Het gevolg is dat de moleculen en atomen die loskomen van het oppervlak, zich in hoogenergetische toestanden bevinden. Dergelijke toestanden zijn instabiel; de moleculen vallen direct terug naar hun grondtoestand, waarbij ze de overtollige energie uitstralen in de vorm van licht. De golflengte (of kleur) van dit licht is zeer karakteristiek voor het soort molecuul.

Daarom is vlakbij de plaats waar de laserbundel het oppervlak raakt, een bundel glasfibers aangebracht die het licht van de vrijgekomen deeltjes opvangt. Analyse van dit licht geeft direct informatie over welke soort moleculen en atomen van het oppervlak zijn losgekomen. De analyse betekent in dit geval dat de apparatuur bepaalt hoeveel van welke golflengte van het licht aanwezig is. Dit uitsplitsen in golflengte heet spectroscopie, vandaar de S in LIBS. De spectroscopische techniek is met name succesvol voor pigmenten.

Het laserstation werkt gepulst. De laser vuurt een puls uv-licht af, waarna de LIBS-techniek de vrijgekomen deeltjes analyseert. De computer bepaalt dan of de laser nog een keer op dezelfde plaats moet pulsen. Is er voldoende materiaal verwijderd, dan schuift de optische arm door naar de volgende positie. Zo tast het systeem het schilderij af.

Kijken

Naast de computer is het belangrijk dat een kundige restaurator het schilderij tijdens het schoonmaken van nabij kan aanschouwen. Zonder extra aanpassingen is dat onmogelijk, omdat het systeem met het voor ogen zeer schadelijke uv-laserlicht werkt. Vlak boven het oppervlak van het schilderij bevindt zich daarom een speciale camera, die het schoonmaakproces op een monitor weergeeft. De camera zal in de toekomst zijn plaats afstaan aan een kleine versie van het zogenaamde Multispectral Imaging System (MuSIS).

Dat apparaat laat het schilderij zien bij verschillende golflengtegebieden tussen 320 en 1550 nanometer. De restaurator en de technici kunnen het schilderij zo bekijken in het infrarode, het zichtbare én het ultraviolette gebied. Daarmee verkrijgen ze veel meer informatie over het schoonmaakproces dan normaal gesproken mogelijk is.

Zo zie je bijvoorbeeld in ultraviolet licht plekken met vernis donkerder dan plekken zonder vernis, en zijn overschilderingen duidelijker waar te nemen. Met infrarood licht kijk je door de lagen van het schilderij heen. In infrarood zie je daardoor vaak de zogenaamde ondertekening. Dat is de schets die de schilder op de grondering aanbracht voordat hij met verf begon.

Bladgoud

Art Innovation richt zich met het lasersysteem in eerste instantie op restauratieproblemen die met de traditionele methoden moeilijk of onmogelijk zijn. Het bedrijf start met een haalbaarheidsstudie, waarbij proefstukjes worden onderworpen aan enige experimenten. Zo kunnen de restauratoren bepalen of een specifieke laag van het schilderij beheerst en zonder schade is te verwijderen.

Op dit moment onderzoekt Art Innovation in samenwerking met Rijksmuseum Twente in Enschede of het mogelijk is bronsverf te verwijderen van lijsten, om zo de originele bladgoudlaag weer bloot te leggen. Met scalpel en oplosmiddelen is dit zeer arbeidsintensief en vaak zelfs onmogelijk. Ook met de laser blijkt het een moeilijke opgave.

De bronsverf laat zich goed verwijderen, maar het onderliggende bladgoud is in veel gevallen zo extreem dun (minder dan tien micrometer) dat het met één laserpuls al beschadigd raakt. Art Innovation probeert nu om met een lagere laserenergie te werken opdat het goud niet beschadigt. Een andere mogelijkheid is om een dun laagje bronsverf te laten zitten, wat vervolgens met oplosmiddelen makkelijker te verwijderen is.

Was- en lijmlagen

Een ander soort restauratie waar de laser geschikt voor is, is het verwijderen van was- en lijmlagen van de achterkant van een schilderij. Het canvas waarop een schilderij is aangebracht, vergaat na verloop van jaren. Een dergelijk schilderij wordt opnieuw bedoekt (het krijgt nieuw canvas), waarbij de restaurator het linnen doek met washars (een mengsel van was en hars) aan het schilderij hecht, daarbij gebruikmakend van een vacuümtafel of een strijkbout.

Na een aantal jaren, als men het canvas weer zou willen verwijderen, blijft de onregelmatig aangebrachte washars achter op het oppervlak. De restaurator verwijdert de washars met een scalpel, wat een langdurig en precies karwei is. Met de laser is het eenvoudig deze laag te verwijderen. Er is niet veel laserenergie nodig en de overgang naar de volgende laag is goed te detecteren.

Het verband tussen lasers en kunstwerken zit niet alleen in het schoonmaken. Ook als analysetechniek bij kunsthistorisch onderzoek zijn lasers veelbelovend. Diverse spectroscopische technieken lenen zich ervoor om pigmenten en andere materialen in een schilderij te identificeren. In veel gevallen is de benodigde laserenergie laag, zodat het kunstwerk geen schade ondervindt.

De laatste jaren begint de kunstwereld steeds meer geïnteresseerd te raken in deze moderne technologieën. Toch moeten deze geheel verschillende vakgebieden nog veel van elkaar leren. Samenwerking tussen restauratoren, wetenschappers en technici is daarvoor essentieel.

Laserstation

De foto toont het laserstation van Art Innovation. De laser is een kryptonfluoride-laser en produceert licht met een golflengte van 248 nanometer. Een van de overwegingen bij het ontwerpen van het mechanische gedeelte was of het schilderij mocht bewegen. Om de risico’s te minimaliseren besloten de ontwerpers om het schilderij te laten stilstaan.

De zware laser laten bewegen was echter ook geen optie, zodat de laserbundel nu door een optische arm naar het schilderij wordt geleid. In elk draaipunt van de arm bevindt zich een spiegel. De scankop aan het eind van de arm tast het schilderij af, uiteraard zonder het aan te raken. De kop bevat een autofocussysteem dat er voor zorgt dat overal op het schilderij exact evenveel energie wordt toegevoerd, onafhankelijk van eventueel reliëf in het kunstwerk.

Bij de scankop bevindt zich tevens een bundel glasfibers (niet zichtbaar op de afbeelding). Die vangen het uitgezonden licht van het verdampte materiaal op en leiden het naar een detector. Daar worden de spectra gemaakt, zodat het besturingssysteem de samenstelling van het verwijderde materiaal kan achterhalen.

Een overzichtsfoto van het laserstation.

Spectroscopie

De spectroscopische analyse van het materiaal dat vrijkomt tijdens het restaureren, vindt plaats met Laser Induced Breakdown Spectroscopy of LIBS. De moleculen die vrijkomen van het oppervlak van het schilderij, bevinden zich in hoogenergetische toestanden. Die toestanden zijn instabiel; de moleculen vallen direct terug naar hun grondtoestand waarbij ze de overtollige energie afgeven in de vorm van licht.

Analyse: Washars en hout. Het spectrum tijdens het verwijderen van een laag washars op hout. De sterke pieken in het rode spectrum zijn typisch voor washars, terwijl de piek bij 430 nm wijst op hout. Op deze manier is een duidelijk onderscheid te maken tussen de lagen. Het groene spectrum is dat van washars waar het spectrum van hout doorheen begint te komen. Deze informatie is het signaal dat de waslaag voldoende ver is verwijderd.

De analyse van dit licht bestaat erin dat de apparatuur bepaalt hoeveel van welke golflengte van het licht aanwezig is. Dit uitsplitsen in golflengte heet spectroscopie, en een dergelijke analyse wordt weergegeven in een spectrum.

De spectroscopische techniek is met name succesvol voor pigmenten. Die bevatten vaak metalen, die zeer specifieke pieken geven in het spectrum. Ze zijn daardoor selectief en snel te identificeren.

Als twee lagen van verschillende materialen een duidelijk onderscheid geven in het spectrum, kan de computer tijdens het schoonmaken bepalen wanneer de eerste laag is verwijderd. Het verwijderen van een laag washars van bijvoorbeeld hout of linnen is op die manier eenvoudig te automatiseren. Oude washars geeft een aantal specifieke pieken in het spectrum, die afkomstig zijn van fragmenten van moleculen.

Anderzijds geeft hout (triplex) een zeer specifieke piek rond 430 nm, die in het spectrum van was niet te zien is. Tijdens het verwijderen van een laag washars van triplex bepaalt de computer na elke laserpuls of er een piek is bij 430 nm. Zodra deze meetbaar is, is de laag blijkbaar verwijderd. De laser stopt dan met pulsen op die plek, en de optische arm schuift een stukje op.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 november 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.