Der Klimawandel betrifft uns alle, und damit auch unser kulturelles Erbe. Bei den materiellen Kulturgütern sind die Konsequenzen messbar: Hitzeperioden und damit verbundene Dürren betreffen zunehmend historische Parkanlagen und Gärten; Gebäude bekommen Risse. Die mit hohen Temperaturen einhergehende zu geringe Luftfeuchte setzt Kunstwerken zu. Mit 3D-Scannern lassen sich diese Schadensphänomene untersuchen und darstellen – und geeignete Schutzmaßnahmen ableiten.
Unser kulturelles Erbe ist einzigartig – seine langfristige und nachhaltige Erhaltung ist von fundamentaler Bedeutung. In Zusammenhang mit dem globalen Klimawandel ist in Zukunft mit einem stärkeren Schadensrisiko zu rechnen; beispielsweise beeinträchtigen hohe Temperaturen in Kombination mit geringen Niederschlägen bereits heute massiv das kulturelle Erbe. Zu den erhaltenswerten Kulturgütern zählen historische Garten- und Parkanlagen genauso wie Gebäude und deren Ausstattung. Geringe relative Luftfeuchten können dazu führen, dass zum Beispiel Innenräume geradezu austrocknen.
Viele Kunstwerke sind hygroskopisch, das bedeutet, sie reagieren auf Änderungen des Raumklimas mit Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Feuchtigkeit, auch Sorption genannt. Das führt dazu, dass sie sich je nach Klimaänderung ausdehnen oder schrumpfen. Die meisten Kunstwerke sind mehrschichtig und aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut. Ein mittelalterliches Tafelgemälde kann beispielsweise auf dem mit Leim abgesperrten Holzträger eine oder mehrere Grundierungsschichten haben, danach folgt die mehrschichtig aufgetragene Malerei, die mit einem Schutzüberzug, dem Firnis versehen ist (Abbildung 1).
Das Vorhaben:
Schadensrisiken einschätzen
Welche Auswirkungen schwankendes Raumklima auf historische Ausstattung haben kann, erforschte ein Projekt der Professur für Restaurierungswissenschaft am Kompetenzzentrum für Denkmalwissenschaften und Denkmaltechnologien (KDWT) der Universität Bamberg: Schadensrisiko für Kulturgut aufgrund zu geringer relativer Luftfeuchte in Innenräumen von national wertvollen Kulturgütern.
Anlass für das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanzierte Vorhaben waren die trockenen Sommer in den Jahren 2018 und 2019 in Mitteldeutschland. Zusammen mit dem Institut für Diagnostik und Konservierung an Denkmalen in Sachsen und Sachsen-Anhalt (IDK) wurden für die Studie vier Objekte mit unterschiedlichen Materialverbünden ausgewählt und Musterflächen definiert: die Tafelgemälde des Hochaltars in St. Nicolai in Döbeln (1515/16), das Tafelgemälde von Lucas Cranach dem Jüngeren für den Altar in Schloss Augustusburg (1572), die barocken Ledertapeten von Schloss Moritzburg aus dem 18. Jahrhundert sowie die wandgebundene Malerei der Albrechtsburg in Meißen aus dem 19. Jahrhundert.
Das Verfahren:
analytisches 3D-Scannen
An allen Standorten wurde von März 2020 bis Ende 2021 die Temperatur und relative Luftfeuchte der Innenräume sowie oberflächennahe Temperaturen der Musterflächen erfasst. Ergänzt wurden diese Messungen um langjährige Klimaaufzeichnungen des IDK, aus denen die ersten Auswirkungen des Klimawandels abzulesen sind (Abbildung 2).
Um etwaige klimabedingte Bewegungen oder Veränderungen der Oberflächen zu analysieren, wurde zu definierten Zeitpunkten der Istzustand der Musterflächen mit einem hochauflösenden 3D-Scanner dokumentiert. Das verwendete Gerät verfügt über eine Projektionseinheit, die mittels einer blauen LED ein Muster aus hellen und dunklen Streifen auf die Oberfläche wirft (Abbildung 3). Eine Kameraeinheit mit einer Auflösung von 2448 mal 2050 Pixeln zeichnet das Musterbild auf und errechnet für einzelne Punkte X-, Y- und Z-Koordinaten. Beim verwendeten Gerät lassen sich die Objektive wechseln, sodass unterschiedlich große Flächen erfasst werden können.
Da die Pixelanzahl der Kamera konstant ist, gilt: je kleiner die Fläche, umso dichter das Punktnetz und umso genauer das 3D-Modell. Für die vorliegende Fragestellung wurde in der Regel ein 250er Objektiv verwendet, mit welchem pro Scan eine Fläche in der Größe einer DinA4-Seite mit einem Punktabstand von 100 µm erfasst werden kann.
Die Scans wurden zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt und bilden damit den jeweiligen Status quo der Oberflächen zum Erfassungsdatum ab. Um Veränderungen sichtbar zu machen, wurde ein so genannter Soll-Ist-Vergleich aus den Scandaten errechnet. Für diesen Prozess wird aus den Punktwolken zu den unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils ein eigenes Dreiecksnetz generiert. Die Netze von zwei Scankampagnen können digital übereinandergelegt werden, mittels einer Software lassen sich dann Abweichungen zwischen den 3D-
Modellen in Fehlfarben darstellen. (Abbildungen 3 und 4).
Das Ergebnis:
Es bewegt sich!
Die Untersuchungen an den Testobjekten zeigen, dass sich Oberflächen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen verändern. Anhand eines Beispiels soll dies näher verdeutlicht werden.
Abbildung 4 zeigt die Fehlfarbendarstellung der übereinandergelegten Scans vom Oktober 2020 und März 2001 von einer der Musterflächen an den Tafelgemälden des Hochaltars St. Nicolai in Döbeln. Zur besseren Veranschaulichung und Orientierung wurde die Auswertung über ein Foto des gescannten Bereichs gelegt. Grün eingefärbte Oberflächen weisen keine Veränderung auf. Im blauen Bereich hat eine Bewegung von 0,6 mm nach hinten und im gelben von 0,3 mm nach vorne stattgefunden. Vergleicht man die Scanaufnahme vom März 2021 wiederum mit der vom Juni 2021 (Abbildungen 5 und 6), so fällt eine horizontale Gegenbewegung nach vorne von bis zu 0,45 mm auf.
Dass sich das Material hier so stark bewegen kann, liegt daran, dass es sich um die Stoßfuge von zwei horizontal verlaufenden Brettern handelt. Durch die jahreszeitlichen Schwankungen des Innenraumklimas nehmen die Hölzer mehr oder weniger Feuchte auf und dehnen sich aus beziehungsweise schwinden. An den Stoßfugen kommt es bei der Volumenzunahme zu Spannungen im System, die zu einer Wölbung führen. Bei der Relaxation, also der ‚Entspannung‘, ist der Prozess entsprechend rückläufig.
Der Ausblick:
Monitoring ist notwendig
Die Untersuchungen belegen, dass historische hygroskopische Oberflächen auf eine Veränderung der relativen Luftfeuchte reagieren. Mit Hilfe der analytischen 3D-Scantechnik können relative Bewegungen von Oberflächenbestandteilen quantitativ nachvollzogen, visualisiert und mittels parallel erfasster Klimaaufzeichnungen kontextualisiert werden.
Vor allem die klimawandelbedingt steigenden Temperaturen mit Phasen längerer Trockenheit stellen für das Kulturgut eine akute Bedrohung dar. Das gilt nicht nur für den Außenbereich, sondern auch für Innenräume mit der dortigen Ausstattung. Insbesondere hygroskopische Materialien können bei zu geringen relativen Luftfeuchten austrocknen, was in der Folge zu im schlimmsten Fall irreversiblen Schäden wie Rissbildungen oder Substanzverlustenführen kann.
An und in gebautem kulturellem Erbe ist ein langfristiges Monitoring von Temperatur und relativer Feuchte erforderlich, um überhaupt eine Aussage über die klimatischen Verhältnisse vor Ort zu erhalten. Basierend darauf und in Kombination mit Objektmonitoring-Methoden wie dem 3D-Scanning können Schadensrisiken identifiziert und Strategien zur Schadensvorbeugung beziehungsweise
-reduzierung erarbeitet werden. Um langfristige Änderungen des Raumklimas dokumentieren zu können, müssen Raumklimamessungen über mehrere Jahre laufen. Sensible Oberflächen und Objekte sollten einer regelmäßigen Wartung und Pflege unterzogen werden, sodass neu entstandene Schäden zeitnah erkannt und behoben werden können. Weiterhin ist mehr Forschung hinsichtlich der Reaktion von historischen Materialkombinationen auf sehr geringe sowie stark wechselnde Luftfeuchten erforderlich. Hierzu wurde an der Universität Bamberg ein Klimaprüfschrank installiert, in dem in Zukunft mittels der oben beschriebenen Scan-Methode kontrollierte klimabedingte Materialveränderungen dokumentiert werden können. Unser kulturelles Erbe ist einzigartig – damit es erhalten bleibt, bedarf es angesichts des Klimawandels größerer Anstrengungen als zuvor.