Pulitura laser per i Beni Culturali

  
L’ablazione laser è uno dei più importanti effetti di irraggiamento fra quelli che possono  essere indotti nei materiali otticamente assorbenti. La pulitura laser è un caso particolare di ablazione laser dove uno strato specifico viene riportato alla luce attraverso la rimozione di strati indesiderati.
L’applicazione della pulitura laser nella conservazione di manufatti artistici è stata proposta da J. Asmus e L. Lazzerini all’inizio degli anni 70 attraverso una serie di test pratici effettuati a Venezia su oggetti lapidei con crosta nera: il nuovo approccio, tuttavia, non andò oltre lo stadio sperimentale per diversi anni soprattutto a causa dei limiti tecnologici delle sorgenti pulsate disponibili a quei tempi. Durante gli anni 80 il livello tecnologico dei sistemi laser aumentò significativamente ma i costi erano comunque ancora fuori dalla portata del campo specifico di applicazione.
Dalla seconda metà degli anni 80 la pulitura laser è stata ampiamente applicata nel restauro di manufatti lapidei in Italia, Francia, Inghilterra, Portogallo, Austria ed altri paesi, soprattutto per la rimozione di croste nere prodotte dall’inquinamento ambientale ma anche per la rimozione di strati neri applicati intenzionalmente nel passato. La pulitura laser è stata applicata in modo massiccio per la pulitura di rilievi lapidei, facciate storiche, oggetti archeologici come il Fregio Occidentale del Partenone e famosi capolavori del Rinascimento come il Profeta Abacuc, San Marco e il Pulpito di Donatello, i pannelli di Andrea Pisano del campanile di Giotto del Duomo di Firenze, San Filippo e i Santi Quattro Coronati di Nanni di Banco, la Fonte Gaia di Jacopo della Quercia in Piazza del Campo a Siena, i capitelli della torre pendente e della cattedrale di Pisa e molti altri. L’applicazione estensiva della pulitura laser è stata accompagnata da studi di base sulla caratterizzazione fenomenologica degli effetti dell’irraggiamento, sulla diagnostica della rimozione del materiale e su modelli fisici che hanno permesso di definire gli intervalli operativi delle densità di energia che assicurassero una discriminazione fra l’incrostazione da rimuovere ed il substrato da preservare.
L’ablazione laser mostra in effetti molti vantaggi rispetto a metodi chimici e meccanici di pulitura tradizionali in termini di gradualità, auto-terminazione, selettività ed impatto ambientale. La pulitura laser di materiali lapidei è la principale applicazione di questo metodo: la crosta nera è facilmente rimossa dal substrato lapideo senza arrecargli alcun danno. Il laser, grazie alla sua gradualità e selettività, è inoltre capace di preservare la cosiddetta “patina del tempo” che può essere rinvenuta in molti manufatti antichi. Un chiaro esempio è la pulitura laser del palazzo di Diocleziano a Spalato (Croazia). Il palazzo venne costruito dall’Imperatore Romano Diocleziano all’inizio del quarto secolo d.C. Il peristilio è situato nella parte centrale del palazzo ed è stato costruito con pietra calcarea estratta nella vicina isola Brazza. La maggior parte della pietra calcarea costituente il peristilio era coperta di uno spesso strato di crosta nera (spessori da 0.5  a 10 mm) formato da gesso e carbone. Per la pulitura venne utilizzato un sistema laser SFR (Short Free Running) con impulso di durata di 50-100 µs. Per la rimozione della crosta sottile (<2mm) era sufficiente una fluenza (densità di energia) di circa 13 J/cm2 mentre per la crosta più spessa (@2 mm) era necessario aumentare la fluenza a 22 J/cm2. Per croste ancor più spesse si procedeva al preliminare assottigliamento dello spessore tramite metodi meccanici: la rifinitura della pulitura avveniva comunque sempre a laser grazie proprio alla sua capacità di salvaguardare la patina sulla superficie della pietra. (figure 1 e 2).
Un interessante esempio di pulitura laser di manufatti archeologici è rappresentato dalle statue dei dioscuri di Locri Epizefiri ,uno splendido gruppo pertinente a un tempio dorico del 450-425 a.C., eseguito in marmo pario, di probabile fabbrica magno-greca. Si rendeva necessario rimuovere incrostazioni di diversa natura e morfologia, molto spesse sul lato anteriore del dioscuro A. Queste incrostazioni  prevalentemente carbonatiche avevano in parte inglobato il terreno di giacitura, dando loro una connotazione irregolarmente ocra scuro. Con l’impiego di laser a impulso breve (LQS, Long Q-switched, durata impulso 100 ns) si è ottenuta un’ottima rimozione della concrezione alleggerendo molto il tono cromatico del complesso, senza minimamente intaccare l’originaria patina del marmo (figure 3 e 4).
Il tempio di Adriano, eretto nel 145 A.C., si trova al Campo Marzio a Roma. Il tempio presenta ancora undici delle tredici colonne corinzie originali nella parete nord, un tratto della loro trabeazione ed il muro della cella. Sul marmo sono state identificate due pellicole sovrapposte: la più vecchia, più chiara e più sottile, è di natura organica e formata da caseina di latte di capra e bianco d’uovo mentre la seconda, molto più spessa e di colore nerastro è un vero e proprio colorante in cui è stato identificato un mix di colle animali di coniglio e di maiale. Il laser è stato capace di rimuovere la patina scura senza intaccare quella chiara, più antica, sottostante e senza danneggiare il marmo. Malgrado questi buoni risultati è stato deciso di mantenere ambedue le pellicole ad ossalati di calcio per consistenza con gli interventi effettuati negli anni 80 nelle colonne libere delle arcate. Il laser è stato poi utilizzato per dare continuità all’architrave che era un elemento architetturale particolarmente danneggiato. La patina più recente, che interrompeva gli elementi  piani con strisce alternate scure e appiattiva quasi completamente le forme ovoidali dei rilievi, è stata rimossa o ridotta (figure 5 e 6).
L'applicazione della pulitura laser sulle pitture murali è iniziato concretamente con il caso di studio degli affreschi di Santa Maria della Scala di Siena in due sale affrescate all’interno del complesso, la Sagrestia Vecchia e la Cappella del Manto. Santa Maria della Scala, uno dei più antichi ospedali europei inaugurato circa 1000 anni fa e funzionante fino agli anni 30 del 1900, è stato gradualmente trasformato in un museo. Le pareti e le volte della Sagrestia Vecchia sono state dipinte da Lorenzo Vecchietta tra il 1446 e il 1449 con scene dal Vecchio e Nuovo Testamento. I dipinti sono stati ricoperti in passato con spessi strati di imbiancatura. Usata come stanza di pronto soccorso, la Cappella del Manto mostra tre campate suddivise in volte a crociera dipinte da Cristoforo di Bindoccio e Meo di Pero nel 1370. Anche in questo caso, in passato gli affreschi erano stati quasi completamente ricoperti da strati di calce e vernice per imbiancatura. Quando le tradizionali tecniche chimiche e manuali di rimozione della scialbatura  non hanno avuto successo, i restauratori hanno pensato all'utilizzo innovativo del laser. Test preliminari sono stati condotti con un sistema Short Free Running (Eos 1000) e con un Long Q-switching (Eos 1000 LQS). Questi due sistemi con durata dell’impulso ottimizzata si sono dimostrati estremamente efficaci e sicuri rispetto al laser con impulso breve Q-switched; utilizzati insieme o uno alla volta, hanno permesso la completa rimozione della scialbatura, riportando alla luce gli affreschi delle pareti.
Dopo la pulitura degli affreschi a Siena il laser ha iniziato ad essere utilizzato anche in ambienti con condizioni climatiche estreme come, ad esempio, nelle catacombe. Un esempio interessante è la pulitura dei dipinti murali del cosiddetto “cubicolo dei Fornai”, al primo piano delle catacombe di Domitilla a Roma. Le pareti del cubicolo sono quasi totalmente affrescate, spesso con ridipinture a secco. Il microclima all'interno delle strutture ipogee delle catacombe è di solito abbastanza stabile, con elevata umidità relativa tra il 96% e il 100%, e temperature intorno a 14-17 ° C durante tutto l'anno. Uno dei più comuni problemi di decadimento riguarda la precipitazione e cristallizzazione del carbonato di calcio che copre gli affreschi quasi interamente. Un esempio di tale decadimento è la tipica pellicola scura che copre le volte e la parte superiore delle pareti delle stanze che può variare da film sottili a strati molto spessi. Durante gli ultimi venti anni, la rimozione delle incrostazioni è stata effettuata principalmente manualmente, cercando di rimuovere la maggior parte della concrezione, allo stesso tempo proteggendo il dipinto originale. Tuttavia, i risultati ottenuti con tale metodo non sono stati soddisfacenti in quanto non risultavano nella completa pulitura della superficie. Grazie al laser la pellicola scura è stata completamente rimossa da tutte le sfumature di colori (bianco, verde, ocra, ecc) e le pitture murali sono state completamente scoperte dallo strato nero che le nascondeva (figura 7).
Un altro esempio di restauro laser di successo in ambiente ipogeo è la pulitura degli stucchi decorati della volta della Basilica Pitagorica di Porta Maggiore a Roma. La Basilica sotterranea venne costruita tra il 14 e il 54 dC e veniva verosimilmente usata per le riunioni di Neopitagorici. La pianta mostra una basilica a tre navate e un’abside simile alle basiliche paleocristiane che sono apparse solo molto più tardi, nel quarto secolo. Le volte sono decorate con stucchi bianchi simboleggianti credenze Neopitagoriche ma il cui esatto significato rimane un argomento di dibattito. Gli stucchi nella volta erano ricoperti da uno spesso e tenace strato di carbonato di calcio mentre le decorazioni sulle pareti erano nascoste sotto residui terrosi. Un potente laser Q-Switched è stato utilizzato per rimuovere in modo sicuro le incrostazioni riportando alla luce i delicati motivi ornamentali.
L'applicazione della pulitura laser sui metalli, invece, è iniziata concretamente con il caso studio dei pannelli in bronzo dorato della "Porta del Paradiso" di Lorenzo Ghiberti del Battistero di Firenze: in questo caso venne eseguita un'attenta ottimizzazione dei parametri laser che portarono all'introduzione di un sistema laser Long Q-switching con durata dell'impulso di 100 ns. L'efficacia e la sicurezza del laser per la pulitura di doratura ad amalgama, lamine d'oro, argento e leghe correlate sono state dimostrate nel corso degli anni grazie a trattamenti di conservazione interessanti come, in aggiunta alla già citata Porta del Paradiso, il restauro delle statue bronzee del David del Verrocchio, del David e l’Attys di Donatello, e la pulitura di successo di un tesoro romano composto da 300 monete in lega d'argento.
Un progetto complesso è stato l'intervento su uno dei più noti tra i grandi bronzi etruschi, il cosiddetto "Arringatore" (l'Oratore), una statua votiva che fu rinvenuta nel XVI secolo nei pressi del Lago Trasimeno e diventò parte della collezione di Cosimo I de’ Medici nel 1566. La statua, 1,79 m di altezza, fusa con la tecnica a cera persa, è composta da sette parti distinte saldate insieme. Presumibilmente, la statua ha subito nel corso dei secoli molti interventi di restauro e manutenzione non documentati. Durante l’ultimo intervento conservativo, risalente al 2010, un laser SFR è stato utilizzato dai restauratori per rimuovere una patinatura marrone-nera applicata in passato sulla superficie della statua. La patinatura era composta da uno strato a matrice organica  di alcune centinaia di micron che comprendeva silicati, calcite, gesso e un carico di pigmento di nerofumo e ocra, insieme a sporadica presenza di ossalati di calcio e rame derivanti dalla mineralizzazione del legante.
Un irraggiamento laser assistito con acqua a fluenza di 2 J/cm2 è stato utilizzato per ablare parzialmente e soprattutto disaggregare termicamente la patina a matrice organica: la pulitura è stata poi finita con metodi meccanici utilizzando bisturi e pennello.
Il recupero della leggibilità superficiale è stato particolarmente evidente così come lo strato nero di tenorite intimamente legato alla superficie metallica. Il laser è stato utilizzato anche per rimuovere indesiderati minerali di rame incoerenti rimasti dopo la pulitura meccanica: l’irraggiamento col laser SFR a basse fluenze ha consentito un grado più profondo di pulitura rispetto alla finitura meccanica ed ha quindi consentito di controllare la tonalità cromatica finale della superficie.

[di Alessandro Zanini, Laura Bartoli]

  

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