Un nutrito team di esperti restauratori e scienziati ha lavorato per anni al restauro dei meravigliosi monumenti che adornano Piazza dei Miracoli a Pisa.
Il primo progetto interessò la Torre Pendente, edificio famoso in tutto il mondo soprattutto per questa sua peculiare caratteristica. In questo caso, lo stato conservativo era fortemente influenzato dall’inclinazione della torre, che accentuava il deterioramento legato all’invecchiamento naturale dei materiali e alla storia conservativa della torre.
La pendenza della torre aveva contribuito a provocare due differenti tipologie di degrado delle superfici lapidee a causa delle diverse modalità di scorrimento delle acque fra un lato e l’altro.
Sul lato più esposto, il dilavamento dell’acqua aveva provocato fenomeni di erosione, disgregazione, formazione di patine gessose e incrostazioni calcaree; mentre, sul lato “sottopendenza”, l’acqua tendeva a depositarsi, causando la formazione di spesse croste nere.
Analisi e test hanno dimostrato che i maggiori problemi conservativi erano legati all’erosione e alla disintegrazione della pietra oltre che alla presenza di depositi di gesso e calcare.
Erano inoltre evidenti fratture diffuse e distacchi di frammenti che evidenziavano fenomeni di schiacciamento dovuti all’inclinazione sofferta da colonne e capitelli.
Le più appropriate metodologie di restauro sono state identificate sulla base dei risultati delle analisi e dell’esperienza diretta guadagnata in un progetto pilota del 2000 effettuato col contributo dell’Unione Europea. Undici sistemi di pulitura, cinque prodotti per il consolidamento, diciotto tipi di malte sono stati considerati adatti e necessari all’intervento conservativo.
Fra le tecniche di pulitura, la tecnologia laser è stata utilizzata con successo sulle parti più danneggiate ed esfoliate dei capitelli per una rimozione graduale e sicura della crosta nera senza arrecare danno al fragile substrato interessato da fratture e lacune.
Successivamente alla torre, gli sforzi dei restauratori si sono concentrati sulla conservazione della Cattedrale. L’ultimo restauro della cattedrale monumentale, a parte la pulitura della facciata per il Giubileo del 2000, risaliva agli anni 40. E’ stato quindi progettato un intervento di restauro totale utilizzando anche molte tecnologie innovative. La prima fase è iniziata nel 2013 e terminata nel 2015. L’intervento è iniziato con un progetto pilota su una porzione del catino absidale a fianco del Transetto del Santissimo Sacramento ed è stato poi esteso all’intero edificio che si trovava in uno stato di notevole degrado caratterizzato da attacco biologico e presenza di depositi aggressivi. Inoltre nelle parti più decorate era evidente la presenza di croste nere e parti mancanti. Tutte queste zone decorate (come i capitelli) sono state pulite tramite laser: il laser ha permesso la rimozione veloce e sicura della spessa crosta nera anche dalle parti più modellate e lavorate.
Il problema conservativo a Pisa rappresenta un chiaro esempio delle potenzialità della pulitura laser di materiali lapidei. I laser, oggigiorno, sono visti come uno strumento in più nella scatola degli attrezzi del restauratore. I maggiori vantaggi nell’uso del laser per la rimozione di croste nere da superfici lapidei sono i seguenti: non è richiesto l’utilizzo di specie chimiche, la rimozione è molto progressiva così che il restauratore può decidere a quale livello arrestare la pulitura, la pulitura è estremamente precisa perché coinvolge solo l’area illuminata dal raggio laser e, infine, se il laser è calibrato in maniera ottimale, il processo di pulitura si arresta automaticamente subito dopo la rimozione della crosta nera grazie alla differente riflettività del marmo.
Dopo il lavoro pioneristico di J. Asmus nei primi anni 70 [1,2] è stato dimostrato da parecchi studi [3,4] che i laser Nd:YAG offrono il miglior compromesso di selettività ed efficienza, essendo, al contempo, abbastanza solidi per lavorare in condizioni difficili come all’aria aperta e su ponteggi. E’ stato inoltre dimostrato che, a parte la lunghezza d’onda, la durata dell’impulso è un parametro cruciale per l’ottimizzazione dell’interazione laser-pietra [5,6]. Negli anni 90 venne introdotto un nuovo sistema laser Nd:YAG accoppiato in fibra con emissione di impulsi di 20µs, nel cosiddetto regime temporale Short Free Running (SFR), [7]: questa durata dell’impulso, intermedia fra impulsi molto brevi (regime Q-switched, durata di 10ns) e impulsi molto lunghi (regime Free Running, impulsi da 500µs) ha mostrato di garantire gradualità ed efficienza della pulitura senza arrecare nessun danno al substrato lapideo. Questo nuovo sistema SFR è stato utilizzato ampiamente nel restauro di facciate [8,9,10], manufatti archeologici [11], rilievi in pietra [12] e capolavori del Rinascimento quali il Profeta Abacuc di Donatello, la Fonte Gaia di Jacopo della Quercia, le formelle del campanile di Giotto e molti altri. Nello stadio iniziale dell’applicazione della pulitura laser venivano sollevate molte discussioni riguardo ai possibili effetti collaterali di questa tecnica: questi dubbi sono stati gradualmente sciolti negli anni a seguire grazie ad accurati studi fenomenologici e di ottimizzazione del processo di interazione laser-bersaglio che hanno permesso di definire i range di fluenza operativi che assicurassero un’effettiva discriminazione fra lo strato da rimuovere ed il substrato sottostante da riportare alla luce [13].
Oltre a questo, anche il ben conosciuto problema dell’ingiallimento delle superfici di pietre trattate con laser Nd:YAG in regime di Q-switch [14] è stato approfonditamente investigato [15,16] e praticamente risolto. Alcuni studi hanno mostrato che questa apparenza cromatica era dovuta alla rimozione solo parziale di stratificazioni pigmentate e/o alla penetrazione di sostanze organiche attraverso lo strato più esterno della pietra.
La rimozione di strati di alterazione da materiali lapidei spesso può essere effettuata con l’esclusivo utilizzo del laser ma in molti casi la combinazione del laser con metodi tradizionali di tipo chimico e meccanico è preferibile o necessaria.
La pulitura laser dei capitelli sia della Torre Pendente che della Cattedrale di Pisa è stata effettuata dopo l’imbibizione della crosta nera in acqua per una notte per ammorbidire la crosta stessa e renderla di più facile rimozione tramite laser. In generale, l’efficienza della pulitura laser aumenta se la superficie da trattare viene bagnata con acqua prima dell’irraggiamento laser. Questa bagnatura ha due effetti principali: uno refrattivo ed uno ablativo.
L’effetto rifrattivo porta alla riduzione della riflettanza per il campione bagnato a causa di una variazione dell’indice di rifrazione fra il materiale e l’aria (meno radiazione viene riflessa via). Inoltre gli spazi vuoti nel materiale vengono riempiti di acqua e ciò provoca una riduzione dell’effetto di diffusione ottica (maggiore penetrazione). Per quanto riguarda l’effetto ablativo, la veloce vaporizzazione dell’acqua che è penetrata nelle micro-fratture accelera l’eiezione di materiale.
In conclusione, il restauro dei monumenti in Piazza dei Miracoli a Pisa rappresenta una delle ultime applicazioni di successo della pulitura laser per la rimozione di croste nere da substrati lapidei.
L’ottimizzazione dei principali parametri di emissione laser, supportata da rigorosi studi scientifici, è di cruciale importanza per ampliare l’utilizzo di questa tecnica innovativa nel mondo della conservazione dei Beni Culturali.
[di Alessandro Zanini e Laura Bartoli, Conservation Technologies Department]
BIBLIOGRAFIA
[1] Asmus, J. F. 1978, Technol.Conserv. 3, p. 14.
[2] Asmus, J.F. 1986, IEEE Circuits Devices Mag. 2, p. 6.
[3] Cooper MI, Emmony DC, Larson JH. 1992, Proceedings of the Seventh International Congress on Deterioration and Conservation of Stone, Lisbon, p. 1307.
[4] Liu K, Garmire E. 1995, Appl. Opt. 34, p. 4409.
[5] Siano S., Salimbeni R.,. 2001, Stud. Conserv. 46, pp. 269-281.
[6] Salimbeni R., Pini R., Siano S. 2000, J. Cult. Heritage 4, pp. 72-76.
[7] Margheri F, Modi S., Masotti L. et al. 2000, J. Cult. Heritage 1, pp. 119-123.
[8] Bromblet P., Labourè M., Orial G. 2003, J. Cult. Heritage 4, p. 17S.
[9] Calcagno G., Koller M., Nimmrichter J. 1997, Restauratoren Blatter 39.
[10] Calcagno G., Pummer E., Koller M. 2000, J. Cult. Heritage 1, p. 111.
[11] Pouli P., Frantzkinaki K. et al. s.l. : Springer, 2005. LACONA V Proceedings. pp. 333-340.
[12] AE, Delgado Rodrigues J. Charola. Jeronimos Monastery, the conservation intervention. Lisboa : Cadernos IPPAR, 2006, pp. 199-206.
[13] Siano S., Agresti J., Cacciari I. et al. 2011, Appl. Phys A.
[14] Vergès Belmin V., Dignard C. 2003, J. Cult. Heritage 4, p. 238.
[15] Klein S., et al. 2001, Appl. Surf. Sci. 171, p. 243.
[16] Siano S., et al. 2008, Laser Phys 18, p. 27