LE APPLICAZIONI LASER NEL SETTORE DEI BENI CULTURALI
Alessandro Zanini (El.En. S.p.A.)
IL LASER E IL RESTAURO
Nel campo della conservazione del patrimonio architettonico, monumentale e delle opere d'arte sta crescendo la domanda di metodiche di intervento, con particolare riguardo alla pulitura, caratterizzate da un'elevata selettività e dal minimo impatto sull'opera.
La soluzione proposta dal laser risponde a questi requisiti e fornisce al restauratore uno strumento ad alto contenuto tecnologico da affiancare e integrare alle altre metodiche meccaniche e chimiche comunemente utilizzate.
L'adozione del laser, del resto, viene incontro anche alla necessità per le moderne aziende di restauro di adeguamento tecnologico, indotto dai nuovi standard e dalla sempre maggiore richiesta da parte degli enti preposti alla tutela di interventi conservativi specialistici e altamente qualificati.
Grazie a una ricerca interdisciplinare svolta da vari laboratori del CNR ne dell'Università in collaborazione con le aziende e i Centri nazionali di conservazione del Ministero per i Beni e le Attività Culturali, il campo delle applicazioni sui differenti materiali è costantemente in aumento. Il laser è attualmente un strumento di uso comune e generalizzato per gli interventi su superfici lapidee rappresentate sia da singoli monumenti quali le statue, sia da superfici architettoniche di particolare pregio, quasi sempre modellate.
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STORIA
I primi esperimenti di applicazione della tecnologia laser alla conservazione dei beni culturali risalgono agli inizi degli anni '70, quando un fisico americano, J. Asmus, ricercatore della Southern University of California, applicò il laser su alcune superfici marmoree della Cattedrale di S. Marco e della Ca' d'Oro a Venezia. Un ulteriore passo in avanti in questa applicazione si è avuto in Francia a partire dagli inizi degli anni '90, con una serie di interventi che si sono susseguiti negli anni per la pulitura dei portali di numerose cattedrali. La prima fu la facciata della cattedrale di Amiens, alla quale seguirono importanti monumenti quali tra l'altro i portali di Chartres, Bordeaux, Notre Dame a Parigi.
Nel 1995 è stato sperimentato per la prima volta l'impiego di un laser con trasmissione del fascio mediante fibra ottica. Questo successo si deve alla ricerca congiunta portata avanti dall'allora Istituto di Elettronica Quantistica del CNR, attuale IFAC e dall'El.En. S.p.A., nel quadro di un progetto regionale della Regione Toscana.
Grazie a questi nuovi passi avanti negli ultimi dieci anni si è assistito ad un costante incremento tuttora evidente dell'uso del laser nei cantieri di restauro. Parallelamente, continua la ricerca sull'interazione laser-materiali, sulle lunghezze d'onda, tipi di impulso e valori d fluenza in funzione della natura organica o meno del supporto e del tipo di intervento da eseguire.
La pulitura con il laser - ancora più degli altri sistemi chimici o meccanici - deve risultare selettiva e stratigrafica, senza indurre effetti collaterali quali alterazioni cromatiche o tessiturali della superficie.
Nello stesso tempo lo sforzo dei produttori è quello di fornire ai restauratori strumenti affidabili, capaci di operare per lunghi periodi all'aperto sui ponteggi (con sbalzi di umidità, temperatura, presenza di polveri fini e grossolane, ecc.), maneggevoli e relativamente poco ingombranti. Anche il tentativo di contenere il costo per l'utente finale corrisponde alle peculiarità di questo settore, nel quale le imprese di dimensioni medio piccole sono la maggioranza.
I SISTEMI LASER IMPIEGATI
Sin dalle prime esperienze si è verificato che i laser infrarossi erano un buon compromesso fra efficienza e selettività. I laser allo stato solido che emettono nel vicino infrarosso a 1064 nm sono ottenuti dal pompaggio a lampada di in cristallo di ittrio alluminio, drogato con una terra rara, il neodimio (Nd:YAG).
Questi laser operano in due differenti regimi di impulso. In regime "Free Running" (FR) o "Normal mode" la durata dell'impulso laser dipende direttamente dal tempo di accensione della lampada di pompaggio. Di solito la lunghezza di questi impulsi varia dai 300 µs ai millisecondi. Nel secondo regime di impulso, detto Q-Switch (QS), la durata dell'impulso viene generata da opportuni dispositivi nella cavità ottica, i quali consentono di ottenere durate di impulso dell'ordine dei nanosecondi, generalmente compresi fra i 6 e i 30 ns, a seconda del tipo di dispositivo adottato e del guadagno ottico che si vuole ottenere.
IL PROCESSO DI PULITURA
La pulitura laser consiste in un processo fotomeccanico o fototermico, una sorta di vaporizzazione - in fisica definita "fotoablazione", la quale consente di rimuovere uno strato di materiale da una superficie.
Nel campo del restauro monumentale ciò significa che l'obbiettivo è quello di asportare l'orizzonte di degrado, di solito di colore molto scuro, da un substrato lapideo di solito di colore molto più chiaro. Questo processo deve avvenire in tutta sicurezza per l'opera d'arte, consentendo di conservare i livelli epigenetici che si frappongono fra degrado e substrato, le cosiddette patine. Queste sono di solito rappresentate dalle cosiddette patine di ossalati, vere e proprie pellicole minerali, purtroppo spesso discontinue, che sono il prodotto della trasformazione di processi conservativi antichi mediante composti organici che nel tempo si sono mineralizzati. Questa pelle dell'opera d'arte, vera e propria patina del tempo, concorre spesso in modo determinante alla conservazione del monumento, garantendone la stabilità chimico-fisica.
L'esperienza accumulata in questi ultimi dieci anni ha permesso di mettere a punto tecniche e procedure che consentano alle apparecchiature laser di operare nel pieno rispetto della storia dell'opera d'arte.
Si è notato che l'impiego di laser a impulso corto QS, se da un lato garantiva una buona efficienza e velocità di esecuzione, con elevati coefficienti di ablazione su spot di ampie dimensioni, dall'altro poteva talvolta generare effetti secondari sulla superficie (in particolare quella lapidea) con microfatturazioni e alterazioni cromatiche della superficie. Ciò è dovuto all'elevata potenza di picco del singolo impulso che genera plasma delle sostanze evaporate, con effetti meccanici di spallazione della superficie, alla quale si associa la forma gaussiana (quindi non perfettamente omogenea) dello spot laser.
D'altro canto l'impiego di laser a impulso FR può all'opposto ingenerare fenomeni secondari di riscaldamento e di alterazione termica della superficie. È stato quindi obbiettivo comune della ricerca sviluppare laser che coniugassero l'efficienza e la selettività dell'intervento con un elevato grado di controllo per evitare gli effetti secondari indesiderati.
A tal fine, la strada che si sta perseguendo è duplice. Da un lato si sta sviluppando una nuova generazione di laser che adottino impulsi di lunghezza intermedia fra i due regimi SF e QS, cioè dell'ordine delle centinaia di nanosecondi, per l'impiego in cantiere su monumenti e superfici lapidee o metalliche. L'adattamento all'uso in esterno, l'impiego con fibra ottica e la portabilità sui ponteggi sono altri tre fondamentali parametri sempre presenti in fase di progettazione.
Dall'altro, le qualità dell'impulso breve dei laser QS vengono ancora più esaltate dalla possibilità per questi sistemi di operare a più lunghezze d'onda (verde, UV) per interventi specialistici su supporti organici (carta, tessuti, legno, tele, ecc.).
Come primo risultato, si è messa a punto una nuova generazione di laser, denominati SFR (Short Free Running) con impulso nell'ordine dei 30 ÷ 150 µs. Questo regime di impulso è stato ottimizzato per poter operare in tutta sicurezza sulle superfici lapidee, rappresentando attualmente la soluzione tecnologicamente più avanzata per lo scenario più vasto di utilizzo nell'ambito del restauro conservativo. Il regime SFR presenta inoltre il vantaggio di poter essere veicolato tramite fibra ottica, garantendo quindi una buona omogeneità del fascio.
In generale sono principalmente quattro i vantaggi nell'adottare la tecnologia laser per la pulitura di superfici di interesse storico-artistico.
- La minima invasività: l'applicazione del laser si caratterizza innanzitutto per l'assenza di contatto fisico con la superficie sulla quale si interviene. Ciò consente di operare in presenza di superfici estremamente fragili o molto alterate, anche prima del consolidamento. Proprio per questa azione diretta sulla superficie il laser non richiede l'uso di abrasivi meccanici o sostanze chimiche. L'unico ausilio che normalmente viene adottato è - quando lo permettano le condizioni del manufatto - un leggero velo d'acqua. L'acqua ha lo scopo principale da fungere da guida d'onda, in modo da rendere ancora più omogeneo e graduale l'effetto del laser. In aggiunta, l'acqua permette di confinare il gradiente termico e di limitare i vapori per l'operatore.
- Un elevato grado di controllo: la rimozione degli orizzonti di degrado avviene, se necessario, per spessori di pochi micron per singolo impulso, permettendo di definire con estrema precisione il livello di pulitura che si vuole raggiungere.
Sfruttando il principio fisico del differente coefficiente di assorbimento della luce da parte dei diversi materiali, in funzione del loro colore, il laser permette un'elevata selettività. Difatti gli strati da rimuovere sono generalmente di colore molto scuro, se non quasi completamente neri, e quindi assorbono una elevata percentuale della luce laser, permettendo la massima efficienza del fenomeno di fotoablazione. Viceversa, il substrato è generalmente più chiaro e, in misura differente a seconda della natura del materiale, riflette una percentuale molto alta della luce ricevuta, arrestando quasi automaticamente l'effetto del laser. - Elevata precisione: il processo di pulitura coinvolge un'area ben delimitata, cioè quella irraggiata direttamente dalla luce laser, senza provocare nessun effetto sull'area circostante. Inoltre i laser SFR in fibra ottica consentono di trattare superfici modellate estremamente complesse grazie alla maneggiabilità della fibra ottica. L'uso di manipoli a focale variabile permette sia di lavorare con precisione su dettagli molto minuti, sia di trattare superfici più ampie.
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L'INTERVENTO CONSERVATIVO SULLA PIETRA
È questo lo scenario applicativo nel quale il laser è diventato uno strumento comune, ampiamente utilizzato dai restauratori con risultati estremamente soddisfacenti, sia in laboratorio che nei cantieri. Risultati ugualmente positivi si hanno anche in relazione a interventi di pulitura su superfici in stucco. L'impiego del laser per la pulitura di elementi architettonici danneggiati dall'inquinamento atmosferico rappresenta oggi molte volte la tecnica più efficace d'intervento in rapporto alla minor invasività e rispetto conservativo della storia del monumento.
È ampiamente dimostrato come il laser, ed in particolare quelli SFR ad impulso ottimizzato, permettano di rimuovere gli strati di "crosta nera", solfatazioni gessose, e nello stesso tempo di rispettare le sottostanti patine di ossalato. Se correttamente condotto, questo intervento, non solo non induce effetti secondari, ma risulta stabile nel tempo consentendo di essere ripetuto periodicamente, come manutenzione programmata dell'opera d'arte.
Per quanto riguarda le superfici in pietra deturpate da graffiti, in questo caso il laser può rappresentare un valido ausilio per rimuovere la pittura ancora in superficie, mentre per quella penetrata internamente si dovrà ricorrere alle sostanze chimiche. In questo modo l'intervento risulterà meno invasivo, con molto minor dispersione di sostanze chimiche e rendendo solubile una quantità molto minore di coloranti.
Il laser è stato usato con successo su numerosissimi monumenti italiani ed europei. Solo per menzionare i più importanti cantieri che hanno visto impegnati i laser del gruppo El.En. si possono citare il Duomo di Milano e la Cattedrale di Firenze, il gruppo scultoreo del Ratto delle Sabine del Giambologna in Piazza della Signoria a Firenze (Fig. 1), i bassorilievi del SS. Sepolcro a Gerusalemme (Fig. 2-3), il chiostro della Cattedrale di Oviedo (Figg. 4 e 5), il Peristilio di Diocleziano a Spalato (Figg. 6 e 7), la Torre Pendente e il Duomo di Pisa.
LE APPLICAZIONI SUI METALLI
L'uso del laser negli interventi conservativi su opere d'arte in metallo oppure su manufatti archeologici è più limitato, anche se sta avendo sempre maggiore successo e non può essere considerato più in una fase esclusivamente sperimentale. L'impiego del laser va comunque affiancato ad una accurata indagine diagnostica e verificato caso per caso.
L'uso nel quale è più efficace e sicuro è quello della rimozione dello sporco e delle ossidazioni sulle superfici di bronzo dorato. In questo caso la messa a punto di particolari lunghezze di impulso (SFR) consente di intervenire con notevole sicurezza ed efficacia. Un risultato estremamente significativo è stato conseguito al Museo del Bargello a Firenze nel restauro della statua del David di Verrocchio (Figg. 8 e 9). Numerosi interventi dei secoli scorsi avevano ricoperto le originarie dorature con patine molto scure. Grazie all'impiego del laser si è riportato all'originario splendore quest'opera d'arte, scoprendo non solo tutta la bordatura dorata delle vesti, ma anche la ricca capigliatura così impreziosita. Sempre a Firenze un laser sperimentale messo a punto congiuntamente da El.En. e CNR-IFAC sta operando sulle dorature della Porta del Paradiso del Ghiberti.
Un altro campo d'impiego è quello delle monete antiche. Anche qui sfruttando l'elevato coefficiente di riflessione dell'argento - che previene fenomeni di riscaldamento e alterazione della superficie - si possono rimuovere con estrema precisione le ossidazioni superficiali. Recenti studi hanno verificato la possibilità di intervenire, soprattutto con laser QS anche sulle superfici in bronzo e rame, per recuperare la patina originaria come i particolari più minuti.
Nel caso infine del ferro il processo di interazione laser-materia ingenera un processo di conversione da ossidi idrati (ruggine) a ossidi anidri (ematite), con un effetto di consolidamento e di mutamento cromatico dal tipico color ruggine ad una superficie grigia metallica.
LE SUPERFICI POLICROME
È questo ovviamente il campo di applicazione più delicato, nel quale l'uso del laser è ancora in buona parte il frutto diretto dei risultati della ricerca scientifica.
Un certo numero di tipologie di intervento, anche complesse, sono possibili sugli affreschi, in quanto il tipo di supporto e la particolare aderenza del pigmento consentono l'impiego dei laser nell'infrarosso. In particolare l'asportazione di carbonatazioni e scialbi con il laser risulta spesso vantaggiosa per qualità e tempi di esecuzione rispetto agli interventi meccanici con il bisturi.
Invece, sulle superfici pittoriche più comuni che sono stese su supporti organici, la lunghezza d'onda del vicino infrarosso risulta non adatta, interagendo con diversi tipi di pigmento. È sicuramente questo uno degli obbiettivi principali dell'attuale ricerca nella quale sono si stanno sperimentando, con incoraggianti anche se parziali successi, laser che operano nell'ultravioletto. Risultati più limitati e tuttora in fase di valutazione sono quelli ottenuti con l'impiego di laser ad erbio associati all'impiego di solventi.
LA SALDATURA LASER APPLICATA AGLI OGGETTI D'ARTE
Un nuovo ed estremamente interessante campo di applicazione della tecnologia laser è rappresentato dall'impiego di saldatrici laser su gioielli e oggetti in metallo prezioso di interesse storico artistico.
La tecnologia laser consente di saldare direttamente i due lembi di metallo, impiegando se necessario metallo dello stesso titolo, ma senza dover utilizzare leghe basso-fondenti. La diffusione di calore arealmente molto limitata consente all'operatore di saldare tenendo direttamente in mano l'oggetto.
Grazie a queste caratteristiche la saldatura laser risulta particolarmente indicata quando si hanno monili compositi con pietre preziose, smalti, perni, ecc. Un caso studio molto particolare è quello che ha visto coinvolti i restauratori dell'Opificio delle Pietre Dure in Firenze per il restauro dell'ostensorio di S. Ignazio Martire, prodotto a Palermo intorno al 1640. Il manufatto, in stile barocco e di fattura particolarmente pregiata, era pervenuto a Firenze ridotto in più di 300 frammenti anche molto minuti e deformati, dopo essere stato trafugato nell'800 per un breve periodo prima di essere recuperato (Fig. 10). Poiché si trattava di oro o argento dorato con una fitta rete di decorazioni a smalto ulteriormente impreziosite con diamanti e altre pietre incastonate, qualsiasi sistema tradizionale di ricomposizione non avrebbe consentito di conciliare la lettura dell'oggetto con il recupero della forma e della sua completa funzionalità (Fig. 11). Per risolvere questo difficile problema conservativo è stata messa a punto dall'El.En. S.p.A. una saldatrice laser Nd:YAG, che ha permesso di ricomporre completamente l'ostensorio restituendogli l'originario sfarzo e splendore (Fig. 12).