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Didaktik der Physik
Wärmestrahlung

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    Wärmekapazitäten von Pigmenten bei Gemälden



    Einführung

    Zur Gemäldeuntersuchung werden üblicherweise Infrarot- und UV-Strahlung, Strahlung des sichtbaren Bereiches und Röntgenstrahlung als Oberbegriff eingesetzt. Weniger bekannt ist der Einsatz von Wärmestrahlung

    Ihren Einsatz findet diese Methode bei Untersuchungen von historischen Wandmalereien in Gebäuden zur Erfassung des qualitativen Zustandes eines Gemäldes. Nur wenige Meter von der zu untersuchenden Stelle wird ein ca. 3000 W Strahler zur Wand ausgerichtet. Die Bestrahlung selber ruft nur wenige Kelvin (K) Temperaturveränderung auf der Wand hervor, die aber für eine gute Wärmebildkamera ausreichen, um Anomalien auf und unter der Oberfläche aufzuzeigen. Ursache sind Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit in der Farbschicht, z.B. durch Ablösung vom Untergrund. Das wiederum beeinflusst die Wärmekapazität und führt zu unterschiedlichen Temperaturerhöhungen durch die Bestrahlung1.


    Untersuchung eines Leinwandgemäldes mit Wärmestrahlung

    Bei unserer Gemäldeuntersuchung geht es um die Erwärmung von unterschiedlichen Pigmenten durch Bestrahlung und deren Unterscheidung durch die ursächlich unterschiedliche Wärmekapazität. Dazu wird ein Testbild mit verschiedenen Pigmenten, unterschiedlichen Bindemitteln wie Eitempera, Öl, Acryl und Wasser benutzt. Vor der eigentlichen Messung mit der Wärmebildkamera erfolgt die Kontrolle der Umgebungstemperatur vor dem Testbild mit einem Temperaturmessgerät.

    Farbprobe VIS und IR

    Abb.1: Am Testbild wird die Umgebungstemperatur vor dem Bild gemessen.


    Zur Vorbereitung der eigentlichen Messung muss ein Bild mit einem einheitlichen Pigment oder nur mit Grundierung gewählt werden, um Fehler in der Bestrahlungsstärke über der ganzen Fläche zu minimieren. Eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche durch die Strahler, die im 45°-Winkel angeordnet sind, erfolgt mit Hilfe eines Luxmeters. Strahlungsquellen sind zwei 1000 W Halogenstrahler.

    Farbprobe VIS und IR

    Abb.2: Einfarbiges Bild zur Ermittlung einer gleichmäßigen Erwärmung der ganzen Oberfläche.


    Im Ergebnis kann über der aufgenommenen Fläche eine Fehlerquote von 1,5 K angenommen werden (Abbildung 3). Der äußere Rahmen, der deutlich wärmer erscheint, ist auf den Keilrahmen aus Holz zurückzuführen, der die Strahlung nicht transmittieren lässt, sondern absorbiert und zu einer stärkeren Erwärmung der Leinwand führt.

    Farbprobe VIS und IR

    Abb.3: Der Bestrahlungsfehler kann über die Bildfläche bestimmt werden und beträgt ca. 1,5 K. Aufnahme mit VarioCAM head von InfraTec.


    Die Konzentrationen der Farbpigmente sind auf dem Testbild teilweise abgestuft, so dass entsprechende Temperaturunterschiede in Abbildung 5 gut zu erkennen sind (obere sechs Felder der 3. Spalte von links). Zwei nebeneinander liegende Felder mit großen Temperaturunterschieden wurden eingekreist. Das linke besteht aus Zinnoberrot mit dem Bindemittel Öl und weißt eine Temperatur von tZinnober=25,6°C auf. Dagegen wurde beim rechten eingekreisten Feld eine Mischung aus dem Deckfarbenkasten auf Wasserbasis gewählt und besteht aus gebr. Siena, lichtem Ocker und Schwarz. Der Messwert beläuft sich auf tSiena,Ocker,Schwarz=30,6°C.

    Farbprobe VIS und IR

    Abb.4: Testbild mit den beiden Extremmesswerten.


    Farbprobe VIS und IR

    Abb.5: Zwischen den beiden eingekreisten Feldern besteht eine Differenztemperatur von 5° C und zeigt einen deutlichen Wärmekapazitätsunterschied auf.


    Resümee

    Mit diesen Messungen kann eine unterschiedliche Wärmekapazität zwischen einzelnen Farbpigmenten und Bindemitteln bzw. deren Vermischung nachgewiesen werden. Inwieweit Unterschichten unter dem oberen Farbauftrag das Ergebnis verändern, müssen weitere Untersuchungen zeigen.

    [1]Detektierung und Konservierung infolge von Umwelteinflüssen hohlstehender Wandmalereien am Beispiel der national wertvollen mittelalterlichen Kirchen in Kühren und Bad Schmiedeberg.
    Url: http://www.hornemann-institut.de/doi/62.php


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    28.07.2017 13:14:03