APLICACIÓ DE TÈCNIQUES LÀSER EN LA NETEJA DE ROQUES MONUMENTALS 

Les principals causes d’alteració dels monuments i edificis del nostre patrimoni són: l’acció mecànica dels agents atmosfèrics, l’acció biològica d’animals i plantes, i l’acció química produïda pels compostos orgànics i inorgànics presents a l’atmosfera. L’ús del làser com a alternativa als mètodes tradicionals de neteja superficial en roques monumentals ofereix una sèrie d’avantatges.

1. INTRODUCCIÓ

Avui dia, l’augment de l’activitat industrial i del trànsit rodat a les grans ciutats ha provocat un increment de la contaminació atmosfèrica i, en conseqüència, una acceleració en el deteriorament dels monuments.

Aquest deteriorament està vinculat tant a la deposició de partícules de l’atmosfera a la superfície dels monuments, com a una acció química produïda per les substàncies emeses a l’atmosfera (Fig. 1). Aquests danys a les estructures de pedra, que s’havien produït de forma natural al llarg de períodes molt llargs, s’han accelerat en pocs anys a causa de l’acció antropogènica.

Figura 1

2. MÈTODES DE NETEJA DE MATERIALS PÈTRES

2.1. Mètodes de neteja tradicionals

Fins fa pocs anys, els mètodes tradicionals de neteja dels materials petris exercien una acció mecànica o química sobre la superfície de les roques, ocasionant freqüentment danys o fins i tot atacant alguna de les capes superficials, cosa que provocava, per tant, una acceleració del procés de deteriorament.

Els mètodes de neteja mecànica impliquen col·lisions entre el medi netejador i la capa de brutícia. Hi ha contacte físic. Els primers impactes trenquen la unió entre ambdues, i després els impactes posteriors les eliminen. Aquestes col·lisions no s’aturen de manera automàtica, és l’operari qui ha de detenir un procés que, en dècimes de segon, pot provocar danys en la superfície neta del material petri. [1]

Els agents més utilitzats en els mètodes de neteja química són els àcids i les sals d’àcids, que poden provocar a mitjà o llarg termini reaccions secundàries no desitjades i migracions cap a l’interior de l’objecte, tot i que a primera vista puguin semblar efectius. També presenten riscos per al personal que els utilitza i manipula.

2.2. Neteja de material petri mitjançant llum làser

En aquest tipus de neteges, la llum interactua amb la matèria i és capaç de discriminar entre les pàtines i la capa de la superfície neta. Això és possible gràcies a la naturalesa monocromàtica de la llum làser, que interactua específicament amb la matèria que es vol eliminar. Escollint una longitud d’ona determinada, s’aconsegueix que la llum interaccioni amb la brutícia però que sigui reflexada per la superfície del material petri (Fig. 2).

Aquesta és una de les avantatges que ha fet que les tècniques de neteja làser siguin molt valorades en els processos de restauració dels béns culturals fets en pedra, ja que no hi ha contacte directe entre la llum làser i la brutícia de l’objecte.

Figura 2

Figura 3

La seva freqüència pot anar des de l’infraroig fins als raigs X, però sempre presenta una gran puresa de color o freqüència. Els electrons dels àtoms són bombardejats per una font d’energia. Després, l’energia acumulada pels electrons és emesa en forma de fotons, que xoquen amb altres àtoms excitats i alliberen nous fotons. La llum s’amplifica entre dos miralls i es filtra perquè es produeixi de manera intensa, direccional i monocromàtica. [3]

John Asmus va ser el primer en utilitzar una llum làser als anys 70, per a l’eliminació de crostes negres en una superfície de marbre. Les crostes negres absorbeixen la radiació, mentre que la superfície del marbre la reflecteix, quedant neta i intacta. En estudiar els efectes del làser, Asmus va descobrir que depèn tant de les propietats de la llum com del material.

El pols de la llum làser també determina el gra d’eliminació de matèria. Un pols normal amb una duració aproximada d’1 ms no ocasiona canvis en el material un cop net. En canvi, un pols curt o Q-switched, amb una duració aproximada de 35 ns, pot arribar a eliminar part del material original.
Asmus va determinar que un pols normal actua per mecanisme tèrmic, mentre que un pols curt presenta mecanismes més complexos i difícils de controlar durant una neteja.

Segons el medi en què es genera, el làser pot ser, entre d’altres:

• • Làser d’estat sòlid

Els medis més comuns són varetes de cristall de rubí, o vidres i cristalls amb impureses de neodimi. Els extrems de la vareta es tallen amb superfícies paral·leles i es recobreixen amb una capa reflectora no metàl·lica. Els làsers d’estat sòlid proporcionen les emissions d’energia més elevada. Normalment funcionen per polsos, generant un flam de llum durant un temps breu. [2]

• • Làser d’estat gasós

El medi d’un làser de gas pot ser un gas pur, una barreja de gasos o fins i tot un vapor metàl·lic, i sol estar contingut en un tub cilíndric de vidre o quars. Als extrems del tub hi ha dos miralls per formar la cavitat làser. Els làsers de gas són bombejats per llum ultraviolada, feixos d’electrons, corrents elèctriques o reaccions químiques. El làser d’heli-neó destaca per la seva gran estabilitat de freqüència, puresa de color i mínima dispersió del feix. Els làsers de diòxid de carboni són molt eficients, i són els làsers d’ona contínua (CW) més potents. [2]

• • Làser d’estat líquid

Els medis més comuns en làsers líquids són colorants inorgànics continguts en recipients de vidre. Es poden bombejar amb làmpades de flaix intenses (quan operen per polsos) o amb un làser de gas (en mode CW). La freqüència d’un làser de colorant sintonitzable es pot modificar mitjançant un prisma situat a la cavitat del làser. [2]

El làser d’estat sòlid és el més utilitzat en la conservació de monuments petris, concretament el de rubí i, sobretot, el làser Nd:YAG a 1.064 nm.

Aquest últim tipus de làser, la radiació del qual és absorbida fàcilment pels contaminants però amb dificultat pel substrat, consta d’una barra de diversos centímetres de longitud feta de granat d’alumini i itri (YAG) amb ions de neodimi (Nd) com a impureses. Són els ions de neodimi els que proporcionen els nivells d’energia necessaris per a la transició làser. El cristall d’alumini i itri modifica les probabilitats de transició entre els nivells d’energia del neodimi, afavorint la generació de llum làser. La font de bombament és una làmpada de flaix de xenó, que proporciona un intens flaix de llum, igual que el d’una càmera de fotos. La làmpada de flaix i el medi làser s’insereixen dins un reflector el·lipsoïdal, de manera que la major part de la radiació incideixi sobre la barra làser, optimitzant l’eficiència. Si, en lloc d’una làmpada de flaix, s’utilitza una làmpada halògena de quars, es pot obtenir un làser en emissió contínua. [1]

Les principals propietats del làser són:

• • • • Direccionalitat del raig, que permet una aplicació amb gran precisió.
      • Brillantor superior a qualsevol altra font de llum, i una baixa divergència, que permeten alliberar grans quantitats d’energia en zones molt concretes.
      • Puresa de la font de llum, que facilita l’elecció de la longitud d’ona adequada per a cada treball.
      • Coherència de la llum en tots els punts i al llarg de les seves direccions.
      • Possibilitat de sintonitzar una radiació làser en una determinada longitud d’ona, per exemple, col·locant un cristall de fosfat de potassi (KDP) en el camí d’un raig generat pel làser Nd:YAG. [1]

3.2. Neteja de capes superficials amb làser

L’ablació és el procés físic que provoca l’eliminació d’un material superficial mitjançant l’acció d’un làser. Aquest fenomen es basa en la conversió de la radiació electromagnètica en energia tèrmica, mecànica i química, provocant la desincrustació del material.

L’ablació pot ser fototèrmica o fotoquímica: En l’ablació fototèrmica, l’energia del fotó es transforma en un augment de la temperatura de la superfície, que provoca l’expulsió del material. En l’ablació fotoquímica, es trenquen els enllaços químics sense escalfament de la superfície.

4. CONCLUSIONS

En resum, els avantatges del làser com a sistema de neteja, en comparació amb els mètodes tradicionals, fan que el seu ús en la conservació d’obres d’art sigui molt considerat com una tècnica important per a la conservació del patrimoni.

La principal avantatge del làser com a sistema de neteja rau en la seva capacitat d’interactuar intensament amb les capes de brutícia i ser reflectit per la superfície neta. Per això, cal seleccionar una radiació làser adequada capaç de discriminar entre la brutícia i l’objecte.

La seva acció és molt localitzada, la qual cosa permet un treball precís. L’operador pot controlar en tot moment el procés i evitar així qualsevol dany a la superfície.

Referències

[1] Gaviño, M. Alteració cromàtica de monuments després de la neteja amb làser: origen, naturalesa i eliminació de l’enrogiment de les pedres. CSIC. Universitat de Sevilla. 2004
[2] http://html.rincondelvago.com/laser.html
[3] Escudero, C. Aplicació del làser per a la neteja de materials silícics: el color.

Bibliografia

• • Prada, J. L., Valenciano, A., Navarro, A. Processos d’alteració de materials petris en edificis d’interès històric. Acta Geològica Hispànica, Vol. 30. 1995, p. 97-110
  • Gisbert, J. i altres. Caracterització i restauració de roques, maons i morters. Universitat de Saragossa. Departament de Ciències de la Terra. 2001