Karakterisering
Karakterisering is een proces waarmee deskundigen de eigenschappen van archeologische en kunstvoorwerpen met grote nauwkeurigheid kunnen onderzoeken en hun leeftijd, chemische samenstelling en oorsprong kunnen vaststellen. Het is niet één methode, maar veeleer een veelheid van nucleaire technieken waarbij gebruik wordt gemaakt van diverse soorten apparatuur en straling, waaronder röntgenstralen, gammastralen, neutronen en ionenbundels. Karakterisering geeft onderzoekers inzicht in wanneer, waar en hoe een voorwerp is ontstaan. Het verschaft restaurateurs onschatbare informatie over hoe zij unieke archeologische artefacten effectief kunnen conserveren. Het stelt specialisten in staat te bepalen of een kunstvoorwerp authentiek of vals is en vast te stellen of er sprake is geweest van illegale kunsthandel. Het gebruik van karakterisering kan ook helpen om interne structuren, waaronder scheuren, breuken en gebreken in een artefact aan het licht te brengen, zelfs als deze niet met het blote oog zichtbaar zijn.
Röntgenfluorescentieanalyse
Een methode om de elementaire samenstelling van schilderijen, manuscripten, munten en keramiek te analyseren is röntgenfluorescentieanalyse (XRF). Door een monster bloot te stellen aan röntgenstraling, veroorzaken wetenschappers straling van chemische elementen in het monster. Deze straling is uniek voor elk element, waardoor de samenstelling van het kunstvoorwerp nauwkeurig kan worden vastgesteld. In 2010 gebruikten wetenschappers in Frankrijk de XRF-methode om de Mona Lisa te bestuderen, een 16e-eeuws meesterwerk van de Italiaanse kunstenaar Leonardo da Vinci. De onderzoekers analyseerden de samenstelling en dikte van de verschillende lagen verf en glazuur en konden zo de ‘sfumato’-techniek van da Vinci beter begrijpen, de fijne arceringen die zachte overgangen tussen kleuren creëren en het kunstwerk zo levensecht doen lijken.
Mona Lisa. Foto ©C2RMF
Röntgendiffractie en neutronenactiveringsanalyse
Andere methoden om de chemische samenstelling en structuur van materialen te onderzoeken zijn röntgendiffractie (XRD), neutronenactiveringsanalyse (NAA) en diverse ionenbundelmethoden, zoals protongeïnduceerde röntgenemissie (PIXE), protongeïnduceerde gammastraling (PIGE) of versnellermassaspectrometrie (AMS). Kunstwerken waarvan de elementaire samenstelling met behulp van nucleaire technieken is geanalyseerd, zijn onder meer: een 500 jaar oud gouden beeld van de beeldhouwer Benvenuto Cellini, de Saliera, dat is gestolen en later teruggevonden in de bossen van Wenen in Oostenrijk; een eeuwenoud portret van Sint Joris in Albanië; en gouden en edelstenen artefacten uit het Ayutthaya-koninkrijk dat tussen de 14e en 18e eeuw in het huidige Thailand bestond.
Foto: Saliera ©Wikipedia
Kunstfraude opsporen met AMS
Om de leeftijd te bepalen van organisch materiaal, waaronder voorwerpen van hout, katoen, papier, leer, wol, zijde of bot, kunnen wetenschappers gebruik maken van een benadering die radiokoolstofdatering heet. Alle levende organismen, zoals dieren of planten, absorberen koolstof. Wanneer ze sterven, begint koolstof-14, een onstabiele isotoop van koolstof, met een bekende snelheid te vervallen. Met behulp van versneller-massaspectrometrie (AMS) meten specialisten de verhouding koolstof-14 in een kunstwerk van organisch materiaal om te bepalen hoeveel tijd er verstreken is sinds het ontstaan ervan. De techniek helpt zo de leeftijd te bepalen van erfgoedobjecten tot 50 000 jaar oud.
Foto: Een deel van een tekening is te zien onder Picasso’s schilderij De oude gitarist. Met behulp van röntgenstralen vonden onderzoekers twee eerdere tekeningen verborgen onder de verf. (Foto: NIRVANA2764/Wikimedia Commons)
Radiokoolstofdatering
Door radiokoolstofdatering toe te passen, konden deskundigen in Frankrijk in 2019 bewijzen dat twee bekende schilderijen – een impressionistisch en een pointillistisch – vervalsingen waren. Ze ontdekten dat de doeken na de jaren vijftig van de vorige eeuw waren vervaardigd, terwijl de schilderijen rond de eeuwwisseling zouden zijn gemaakt. Radiokoolstofdatering werd ook toegepast om de leeftijd te bepalen van een bronzen beeld van de Capitolijnse Wolf in Italië; een bronzen beeld van Apoxyomenos dat werd gevonden in de wateren van de Adriatische Zee voor de kust van Kroatië; en een oud aquacultuursysteem in het land van het Gunditjmara-volk in Australië.
Foto: Capolitijnse wolf ©Capolitijnse museum Rome
Röntgenscans van schilderijen
Om de interne structuur en integriteit van cultureel erfgoedobjecten te analyseren, maken wetenschappers gebruik van industriële radiografie. Zij sturen röntgenstralen, gammastralen of neutronen door een object om het inwendige ervan te bekijken. Wanneer de straling een belichte film of een speciaal ontworpen digitale camera aan de andere kant raakt, ontstaat een beeld van wat aan het zicht wordt onttrokken, met inbegrip van interne defecten of scheuren. Bovendien helpen röntgenstralen van schilderijen vaak bij het identificeren van tekeningen die eronder liggen. Röntgenanalyse van Picasso’s “De oude gitarist” – een van de beroemdste werken uit de “Blauwe Periode” van de kunstenaar – bracht aan het licht dat hij een oud doek opnieuw had gebruikt. Onder de verf zaten twee composities die hij eerder had gemaakt: een oudere vrouw met voorovergebogen hoofd en een jonge moeder met een geknield kind aan haar zijde. Een ander recent voorbeeld is de analyse van het schilderij ‘Hoofd van een boerin’ van Vincent van Gogh in het Verenigd Koninkrijk, waarbij een verborgen zelfportret van de kunstenaar aan het licht kwam.
Foto: Schilderij Hoofd van een Boerin met daaronder het zelfportret van Vincent van Gogh ©Museum Schotland
Desinfectie met straling
Langdurige conservering van unieke, onvervangbare historische artefacten kan een uitdaging zijn, omdat onjuiste opslagomstandigheden ertoe kunnen leiden dat bacteriën, insecten of schimmels zich ontwikkelen op het oppervlak of binnenin de artefacten – waardoor ze achteruitgaan of zelfs volledig vernietigd worden. Ioniserende straling kan een oplossing zijn voor dit probleem. Om objecten te desinfecteren, bestralen deskundigen ze met behulp van speciale apparatuur, zoals hoogenergetische elektronenbundelversnellers, röntgenapparaten of installaties voor de verwerking van gammastraling die radioactieve bronnen van kobalt-60 of cesium-137 bevatten. In een speciale bestralingskamer wordt een artefact blootgesteld aan ioniserende straling en vervolgens gedesinfecteerd en ontsmet. Een beroemd voorbeeld van een historisch artefact dat deze behandeling heeft ondergaan is de 3200 jaar oude mummie van de Egyptische farao Ramses II. Deze werd in 1977 in een installatie in Frankrijk gedesinfecteerd met gammastraling om insecten en schimmels te elimineren. Andere voorbeelden zijn boeken uit de bibliotheek van het Vredespaleis in Nederland, filmrollen uit het Nationaal Filmarchief van Roemenië, een babymammoet die in de permafrost van Siberië is gevonden en houten iconostasen in de Heilige Voivode van Michaël en Gabriëlkerk in Roemenië. Wanneer een stof aan straling wordt blootgesteld, ontvangt zij energie die haar structuur op moleculair niveau wijzigt. Maar verschillende materialen worden verschillend beïnvloed, afhankelijk van de chemische samenstelling. Ook het soort chemische bindingen dat in het materiaal aanwezig is en de blootstellingstijd en de intensiteit maken uit. Een goed uitgevoerde behandeling beschadigt weliswaar levende verontreinigingen en ongedierte, maar brengt geen schade toe aan culturele artefacten. Restaurateurs gebruiken kleine stralingsdoses van maximaal 10 kilograan, zodat de voorwerpen van het cultureel erfgoed niet worden beschadigd. Ze worden niet radioactief na de behandeling en kunnen mensen in hun omgeving niet bestralen.
Foto: Na bestraling om ze te beschermen tegen xylofage insecten kunnen de houten beelden naar het atelier waar ze worden bestudeerd en gerestaureerd. (Foto: ARC-Nucléart/ C. Terpent)
Traditioneel gebruiken deskundigen chemische en fysische methoden om culturele en historische voorwerpen te ontsmetten. Deze gaan gepaard met het gebruik van toxische stoffen of thermische behandelingen en kunnen dus schadelijk zijn voor de voorwerpen, de restaurateurs of het milieu. Beide benaderingen kunnen duur zijn. Bovendien kan geen van beide de volledige uitroeiing van ongedierte garanderen als de behandeling niet het gebied bereikt waar de insecten of wormen zich hebben gevestigd. Toepassing van bestralingstechnieken heeft verschillende voordelen ten opzichte van traditionele methoden: zij kunnen bij kamertemperatuur worden toegepast zonder fysiek contact met het object of de noodzaak van extra stoffen, en zij laten geen sporen na en veroorzaken geen schade aan de behandelde materialen. Eventuele risico’s kunnen worden geminimaliseerd door stralingsontsmetting uit te voeren in goed beschermde ruimten onder strikte veiligheidsvoorwaarden. Bij de consolidatiemethode blijft het uiterlijk van het object vrijwel ongewijzigd, maar worden het materiaal en de fysische en chemische eigenschappen ervan zodanig veranderd dat ze sterker en dichter worden. Zo werd in 2011 bestraling toegepast op een Romeins houten schip uit de eerste eeuw dat was gevonden in de rivier de Rhône in Arles, Frankrijk. Toen het schip na de vondst lag te drogen, begon het hout af te brokkelen. Om het oude relikwie te redden, gebruikten specialisten van ARC-Nucléart de consolidatietechniek: zij impregneerden het hout van het schip met een radioharde hars en stelden het bloot aan ioniserende straling om het hout te verharden en te voorkomen dat het schip uit elkaar zou vallen.
Rol van de IAEA
- Het technische samenwerkingsprogramma van de IAEA biedt landen capaciteitsopbouw voor het gebruik van nucleaire technieken voor het bestuderen en bewaren van cultureel erfgoed door middel van opleidingscursussen, technische bijeenkomsten, wetenschappelijke bezoeken en beurzen. De IAEA helpt deskundigen over de hele wereld aan de nodige apparatuur en faciliteiten om onderzoek te doen en nucleaire ingrepen uit te voeren. Het ondersteunt ook onderzoekers en conservatoren door geharmoniseerde methodologieën en gestandaardiseerde procedures aan te bieden.
- De IAEA organiseert workshops, conferenties en speciale evenementen over het gebruik van nucleaire wetenschap en technologie voor de studie en het behoud van cultureel erfgoed, en vergemakkelijkt de uitwisseling van kennis en ervaring tussen internationale deskundigen.
- De IAEA bevordert ook de publicatie van academisch, onderzoeks- en voorlichtingsmateriaal over het behoud van cultureel erfgoed. Een publicatie uit 2011, Nuclear Techniques for Cultural Heritage Research, biedt een uitgebreide beschrijving van nucleaire en aanverwante technieken voor de analyse, restauratie en conservering van historische artefacten en kunstwerken. Een boek uit 2017, Uses of Ionizing Radiation for Tangible Cultural Heritage Conservation, geeft informatie over desinfectie en consolidatie met straling en introduceert gevallen van objecten die met bestraling zijn behandeld in verschillende landen, waaronder Brazilië, Kroatië, Frankrijk, Roemenië en Tunesië.
- De IAEA wijst samenwerkingscentra aan op het gebied van cultureel erfgoed. Er zijn momenteel vier van dergelijke centra, waaronder de Universiteit Paris-Saclay en ARC-Nucléart in Frankrijk, het Nationaal Centrum voor stralingsonderzoek en -technologie in Egypte en de Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) in Australië.
- Tenslotte biedt de IAEA een verscheidenheid aan opleidingscursussen en online leermogelijkheden over de toepassing van nucleaire technieken, zoals koolstofdatering voor cultureel erfgoed en forensische wetenschap, röntgenspectrometrische technieken voor de karakterisering van archeologische en kunstvoorwerpen en industriële bestraling.