Materialanalyse mit der KEYENCE-Einheit
Der Fachbereich Restaurierung im Deutschen Technikmuseum hat seit September 2025 ein neues Analysegerät im Einsatz. Wie funktioniert es? Was lässt sich damit untersuchen? Und wie beeinflusst es die Museumsarbeit?
Mit der Anschaffung einer Analyse-Einheit Firma 47 KEYENCE, das auf der Technologie der laserinduzierten Breakdown-Spektroskopie (LIBS) basiert, eröffnen sich neue Möglichkeiten in der materialkundlichen Untersuchung. Diese Methode erlaubt es, bislang schwer zugängliche Analysebereiche zu erschließen – und das völlig zerstörungsfrei, sowie ohne Probenentnahme (sofern das Objekt unter die Messeinheit passt). Das Gerät bestimmt die chemische Zusammensetzung der untersuchten Materialien und gibt Auskunft darüber, welche Elemente in welcher Konzentration enthalten sind. Die Auswertung der Messergebnisse erfordert jedoch fundiertes Fachwissen über historische Werkstoffe sowie deren zeitliche und technologische Einordnung.
Was kann man damit machen?
Mit dem Analysegerät können wir einzelne chemische Elemente in Materialien bestimmen. Durch die Ermittlung der elementaren Zusammensetzung lassen sich weitere Informationen gewinnen:
- Bestimmung von Metallen und Metalllegierungen, aus denen museale Objekte hergestellt sind – Identifikation von Pigmenten und Füllstoffen
- Nachweis gefährlicher chemischer Elemente wie Blei (Pb), Arsen (As), Quecksilber (Hg), Cadmium (Cd), Chrom (Cr), Nickel (Ni) und Brom (Br), die ein Gesundheitsrisiko darstellen
- Bestimmung von Verunreinigungen und Korrosionsprodukten
- Nachweis von Asbest (nur in Verbindung mit mikroskopischer Untersuchung)
Was bedeutet das neue Analysegerät für die Museumsarbeit?
Die Nutzung der KEYENCE-Einheit beeinflusst die Museumsarbeit in vielerlei Hinsicht. Musste die Analyse mancher Materialien in der Vergangenheit bei einem externen Dienstleister durchgeführt werden, so ist diese nun etwa schnell und kostensparend im Bereich Restaurierung selbst möglich. Möchte das Museum bestimmt Objekte in seine Sammlung übernehmen, lassen sich im Vorfeld materialtechnische und kunsttechnologische Untersuchungen vornehmen. Der Erwerb von Fälschungen oder nicht originalen Objekten lässt sich so vermeiden.
Weiterhin trägt die Analyse-Einheit dazu bei, Konzepte für die sachgerechte Lagerung besonders empfindlicher Objekte zu entwickeln und einzusetzen. Daneben sind durch die Materialbestimmung weitaus präzisere Objektbeschreibungen möglich. Das hat Einfluss etwa auf Objekttexte in Ausstellungen, Publikationen oder bei externen Anfragen. Schließlich führen die Analyse-Ergebnisse zu einer Erhöhung der Datenqualität in der Sammlungsdatenbank des Museums. An zwei Beispielen zur Gefahrenstoffanalyse und Materialidentifizierung von Objekten, die sich derzeit in der Restaurierungswerkstatt befinden, lassen sich die Möglichkeiten der KEYENCE-Einheit im Detail zeigen.
Fotos: Anna Stefania Schulz, SDTB
Gefahrstoffe in historischen Farbschichten
Untersucht wurde ein stark korrodiertes Metallfragment, das zwei deutlich erkennbare Farbschichten (rot und grau) aufweist. Die farbige Beschichtung ist größtenteils nicht mehr erhalten. Es wurde vermutet, dass es sich bei der auffälligen roten Farbe um einen Gefahrstoff handeln könnte. Die elementare Analyse der roten Farbschicht ergab das Vorhandensein von Blei (Pb) und Sauerstoff (O). Dabei handelt es sich um Mennige (ein Pigment aus Bleioxid), das historisch als Grundierung und Korrosionsschutz für Eisen und Stahl verwendet wurde. Es kam bis ins 20. Jahrhundert zum Einsatz, ist heute jedoch aufgrund seiner Giftigkeit weitgehend verboten.
Das Pigment gilt in fest eingebundener Form als relativ ungefährlich. Problematisch wird es jedoch, wenn das Bindemittel durch Alterungs- und Abbauprozesse seine Funktion verliert: Dann können hochgiftige Stäube freigesetzt werden, die beim Bewegen der Objekte, oder beim Restaurierungsarbeiten (beim Schleifen oder Abflammen alter Anstriche) eingeatmet oder verschluckt werden. Als Schwermetall kann sich Blei im Körper anreichern und zu erheblichen gesundheitlichen Schäden führen. Daher ist eine Materialanalyse unerlässlich, um das Vorhandensein solcher Gefahrstoffe festzustellen und geeignete Schutzmaßnahmen gezielt einsetzen zu können.
Authentizitätsprüfung durch Materialbestimmung
Bei einem weiteren Objekt handelt es sich um einen menschlichen Schädel. Es gab eine Anfrage des Bereichs Provenienzforschung, ob es sich bei dem Objekt um echte menschliche Überreste handelt. Die Authentizität des Objekts wurde bereits nachgewiesen, dennoch wird es hier als Beispiel für diese Analysemethode verwendet. Eine schnelle Authentizitätsprüfung kann durch den Nachweis chemischer Elemente wie Calcium (Ca) und Phosphor ℗ erfolgen, die charakteristische Bestandteile von Knochenmaterial sind. Ein zweites Beispiel ist eine Zange (ein Zubehörteil zu einem Diplomatenkoffer), die durch diese instrumentelle Analyse in Verbindung mit Mikroskopie als Elfenbein identifiziert werden konnte. Bei vielen historischen Objekten, die auf den ersten Blick wie Bein oder anderes Knochenmaterial wirken, kann es sich in Wirklichkeit um ein Imitat aus Cellulosenitrat handeln, das in manchen Fällen nur sehr schwer zu unterscheiden ist. Eine Analyse solcher Objekte ist entscheidend für die Entwicklung geeigneter Lagerungskonzepte zum langfristigen Erhalt.
1,2,4 Foto: Anna Stefania Schulz, SDTB; 3 Foto: Lars König, SDTB
Was kann die Digitalmikroskopie der Einheit?
Mit dem Digitalmikroskop der KEYENCE-Einheit können Oberflächenuntersuchungen in verschiedenen Lichtverhältnissen bei Vergrößerungen von 20-fach bis 2000-fach durchgeführt werden. Damit lassen sich unter anderem folgende Analysen vornehmen:
- Schadensanalyse und Untersuchung von Alterungsspuren an unterschiedlichen Materialien (zum Beispiel Korrosionsprodukte, Ausblühungen, Mikrorisse)
- Erfassung von Werkzeugspuren oder Bearbeitungstechniken (zum Beispiel Pinselstriche, Gravuren)
- präzise Betrachtung mikroskopischer Details (schwer lesbare Aufschriften, Inschriften und Signaturen)
- Analyse von zum Beispiel Partikeln, Bindemitteln und Faserstrukturen
Dank seitlicher Beleuchtung und spezieller Bildverbesserungsfunktionen können Oberflächenstrukturen besonders hervorgehoben. Darüber hinaus sorgt die Tiefenschärfefunktion durch die Zusammensetzung mehrerer Bilder für durchgehend scharfe Darstellungen über den gesamten Fokusbereich hinweg. Zusätzlich bietet das System verschiedene Vermessungsfunktionen. Sie ermöglichen die präzise Bestimmung von Abständen, Durchmessern und Winkeln, was besonders bei der Analyse von Fasern, der Identifizierung von Holzarten sowie bei der Messung von Schichtdicken in Farbaufbauten hilfreich ist. Die 3D-Visualisierungsfunktion erlaubt eine detaillierte Darstellung von Oberflächenstrukturen und Texturen. Außerdem können größere Flächen (circa 10 mal 10 Zentimeter) durch das Zusammensetzen mehrerer mikroskopischer Einzelbilder (Erstellung von Navigationsaufnahmen) in hoher Auflösung dargestellt und analysiert werden.
Insgesamt eröffnet das KEYENCE-Gerät dem Fachbereich Restaurierung neue Analysemöglichkeiten – von der Gefahrstofferkennung bis zur Materialbestimmung historischer Objekte. Damit setzt das Deutsche Technikmuseum für sich neue Maßstäbe in der materialtechnischen Forschung – und schafft gleichzeitig die Grundlage für künftige Lösungen in der Objekterhaltung und ‑forschung.