Entwicklung und modellhafte Anwendung der Überprüfung entfestigter Holzsubstanz mittels THz-Strahlung an durch anthropogene Einflüsse und schadhafte Altrestaurierung geschädigtem Kircheninventar am Beispiel des Trinitatisaltars Hildesheim und des Mar[…]
Projektdurchführung
Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen Fakultät Ingenieurwissenschaften und GesundheitVon-Ossietzky-Str. 100
37085 Göttingen
Zielsetzung
Das Forschungsziel des Projektes war es, mithilfe eines neuartigen roboterbasierten Terahertz-Zeitbereichspektrometers ein Monitoring- und Kontrollverfahren zu entwickeln, das strukturelle Veränderungen historisch wertvoller Holzsubstanz exakt darstellt. Erstmals sollen dabei zahlreiche biologische, chemische und physikalische Schädigungen, die üblicherweise einzeln und im Verbund die Holzfestigkeiten herabsetzten, ganzheitlich – vor allem auch im Tiefenprofil – untersucht werden. Im Gegensatz zu den bisher gängigen Technologien können hierbei dreidimensionale gefasste Holzobjekte vor Ort zerstörungs- und berührungsfrei oberflächennah in die Tiefe erforscht werden, um ihren Zustand genau zu bewerten und geeignete notwendige Erhaltungsmaßnahmen exakter planbar zu machen. Exemplarisch wurde dieses Forschungsziel ausgehend von Laboranalysen an den Objekten Marienaltar des Klosters Isenhagen und des Trinitatisaltars Hildesheim umgesetzt.
Arbeitsschritte
Das erste Arbeitspaket der digitalen Zustands- und Schadenskartierung und 3D-Vermessung des Marienaltars im Kloster Isenhagen wurde durch die Stiftung Klosterkammer Hannover gefördert und bildete die Grundlage für die Festlegung der Testflächen für spätere Terahertz-Messungen.
Die weiteren Arbeitsschritte des Projektes gliederten sich wie folgt:
• Dendrochronologische Untersuchungen der Hölzer im Bereich der jeweiligen Testfelder für die spätere THz-Messung am Marienaltar Kloster Isenhagen.
• Voruntersuchungen zu mikrobiellem Befall, Biozid- und Konsolidierungsmittelvorkommen mit anschließender Auswahl von Pilzarten/Konsolidierungsmitteln/Bioziden an den potenziellen Testfeldern der THz-Messung am Marienaltar Kloster Isenhagen.
• Erstellung von Prüfkörpern aus Lindenholz mit Schimmelpilzen, Holzfestigungsmitteln und Bioziden zur Analyse in THz-TDS.
• Besiedelung und Anzucht mit Anobium Punctatum auf Lindenholzprüfkörpern zur Analyse des Holzabbaus mittel sTHz-TDS.
• Umsetzung digitaler 2D-Kartierungen und einer beispielhaften 3D-Kartierung am Marienaltar Kloster Isenhagen in metigo MAP.
• Exemplarische Implementierung der THz-Messdaten in die 3D-Kartierung des Marienaltars.
• Erstellung von Prüfkörperreihen mit Chaetomium globosum auf Lindenholz in unterschiedlichen Wachstumszyklen bis zu 52 Wochen.
• Vermessung der Holzpilzprüfkörper mittels THz-Zeitbereichsspektroskopie (Transmission und Reflexion) unter Laborbedingungen zu verschiedenen Wachstumsstadien und nach der Anwendung ausgewählter Holzfestigungsmittel und Biozide.
• Herstellung von Dünnschnittpräparaten aus mit Chaetomium globosum inkubiertem Lindenholz.
• Analysen zur Veränderung der Holzfestigkeit mittels mikroskopischer Analyse und Eindruckhärtemessungen.
• THz-Reflexionsmessungen an Anobienprüfkörpern und Darstellung von Fraßgängen.
• Kontrollmessung im Micro-CT zur Überprüfung der THz-Messergebnisse zum Fraßgangverlauf.
• Umsetzung von zwei in situ Messkampagnen vor- und nach der Restaurierung des Marienalters im Kloster Isenhagen mit THz- Zeitbereichsspektroskopie.
• Vergleichsmessungen mittels THz-Zeitbereichsspektroskopie an Skulpturen des Trinitatisaltars im Laboraufbau.
Ergebnisse
Die Forschungsarbeit zur Festigkeitsanalyse von gefassten Holzobjekten, durchgeführt am Beispiel des Marienaltars im Kloster Isenhagen, unterstreicht die Wichtigkeit zu umfangreichen Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften in THz-Strahlung aller Festigkeitsparameter der untersuchten Materialien. Diese dienen als Schlüsseldaten, um die Auswirkungen von Schimmelpilzbefall und Konsolidierungsmitteln auf die Holzstruktur zu analysieren. Mit Hilfe der THz-Zeitbereichsspektroskopie wurden diese Parameter genau bestimmt, was die Basis für vertiefende Studien zur Materialfestigkeit bildet. Anschließende Untersuchungen ermöglichten es, relevante Kenndaten für die THz-Analyse im Hinblick auf das Festigkeitsverhalten von Holz zu identifizieren und sowohl Transmission als auch Reflexion einzubeziehen. Die gewonnenen Daten wurden in einer Bewertungsskala zusammengefasst, die den Holzabbau in Bezug auf Schimmelpilzbefall und angewendete Konsolidierung messbar machte. Der genaue Vergleich zwischen THz-Reflexionsdaten und Micro-CT-Aufnahmen bestätigte die Effektivität der THz-Analyse bei der Visualisierung von Holzschäden. Die innovative Integration der THz-Daten in das Kartierungsprogramm metigoMAP erlaubt nicht nur die visuelle Verortung von Messergebnissen für ein umfassendes Monitoring, sondern auch den erleichterten Rückgriff auf diese Daten bei zukünftigen Messungen. Diese Anwendung zeigt exemplarisch die Möglichkeit auf, weitere Messdaten in ähnlicher Weise zu integrieren, und stellt somit ein wichtiges Monitoring-Tool zur Verfügung. Darüber hinaus wurde roboterbasierte THz-System erfolgreich für zwei in situ Messungen vor Ort, sowohl vor als auch nach der Restaurierung, eingesetzt. Die Optimierung der Messgeschwindigkeit trug dabei zur Effektivitätssteigerung des Einsatzes bei. Diese Erkenntnisse können für die Beurteilung zur Ausbreitung von Konsolidierungsmitteln und der damit verbundenen Änderung der Holzfestigkeit herangezogen werden.
Die Forschungsarbeit lieferte wertvolle Ergebnisse für die Überwachung und den Schutz von historischem Holz, indem sie nicht nur die Grundlage für eine Weiterentwicklung der Auswertungssoftware schuf, sondern auch den Weg für weitere Studien zur Anwendbarkeit des THz-Systems in anderen Bereichen ebnete. Die Kombination von THz-Daten mit anderen bildgebenden Verfahren öffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung und Bewahrung denkmalgeschützter Objekte.
Öffentlichkeitsarbeit
Im Rahmen der zweiten Messkampagne im Kloster Isenhagen in der Woche vom 07.11 bis 11.11.2022 wurden unterschiedliche öffentlichkeitswirksame Veranstaltungen bzw. Forschungsvermittlungen durchgeführt. Beiträge zur Messkampagne und dem Projket erschienen im NDR, so wie in der Printpresse (siehe Pressespiegel/Abschlussbericht) Im Rahmen der Ausstellungseröffnung Himmlische Ansichten – Highlights der kirchengeschichtlichen Sammlung am 02.12.2022 im Roemer- und Pelizaeus-Museum Hildesheim wurde von Frau Roksana Jachim MA und Frau Dr. Kirsti Krügener das Forschungsobjekt Trinitatisaltar in Beiträgen zur Restaurierung und der erzielten Forschungsergebnisse in Kurzvorträgen vorgestellt. Ein Tagungsbeitrag wird bei der vom 8.4. bis 12.4.2024 stattfindenden internationalen Tagung - Optical Terahertz Science and Technology 2024 - in Marburg von Cornelius Mach M.Sc. der Philipps Universität Marburg präsentiert. Die HAWK richtet am 22. November 2024 eine digitale Tagung zum Thema: „THz-Forschung an Kulturgut“ aus, in deren Rahmen auch die Ergebnisse der im Bericht vorgestellten Forschungsergebnisse präsentiert werden.
HAWK Hightech trifft Mittelalter-Zerstörungsfreie Verortung von HolzschädigungenForschungsprojekte HAWKTerahertzstrahlung erleichtert Restaurierung von KunstwerkenTechnology meets the Middle AgesFazit
Dieses interdisziplinäre Forschungsprojekt zielte darauf ab, ein Überwachungs- und Kontrollsystem für strukturelle Veränderungen an historischem Holz mittels eines innovativen, robotergesteuerten THz-Zeitbereichsspektrometers zu entwickeln. Durch diverse Techniken wie THz-TDS-Messungen, 3D-Kartierung und weiterer Labortests wurde ein umfangreiches Methodenspektrum angewendet. Insbesondere wurden Pilzbefalls-Muster in Lindenholz identifiziert und die Veränderungen im Holz durch THz-Messungen nachgewiesen. Das Projekt erreichte sein Ziel, in-situ Messungen an gefassten Holzobjekten durchzuführen und konnte Restaurierungsmerkmale sowie Veränderungen in der Holzdichte erkennbar machen.