APLICACIÓN DE TÉCNICAS LÁSER EN LA LIMPIEZA DE ROCAS MONUMENTALES 

Las principales causas de alteración de los monumentos y edificios de nuestro patrimonio son: la acción mecánica de los agentes atmosféricos, la acción biológica de animales y plantas y la acción química producida por los compuestos orgánicos e inorgánicos presentes en la atmósfera. El uso del láser como alternativa a los métodos tradicionales de limpieza superficial en rocas monumentales ofrece una serie de ventajas.

1. INTRODUCCIÓN

En nuestros días el incremento de la actividad industrial y el tráfico rodado en las grandes ciudades ha producido un aumento de la contaminación atmosférica y en consecuencia una aceleración en el deterioro de los monumentos.

Este deterioro está vinculado tanto a la deposición de partículas de la atmosfera en la superficie de los monumentos, como a una acción química producida por las sustancias emitidas a la atmosfera (Fig.1). Estos daños en las estructuras de piedra que se han venido produciendo de forma natural en largos periodos de tiempo, se han visto acelerados en pocos años debido a la acción antropogénica.

Figura 1

2. MÉTODOS DE LIMPIEZA DE MATERIALES PÉTREOS

2.1. Métodos de limpieza tradicionales

Hasta hace pocos años los métodos tradicionales de limpieza de los materiales pétreos ejercían una acción mecánica o química sobre la superficie de las rocas, ocasionando frecuentemente daños o llegando a atacar alguna de las capas superficiales y provocando, de esta forma, la aceleración del proceso de deterioro.

Los métodos de limpieza mecánicos collevan colisiones entre el medio que limpia y la capa de suciedad. Hay un contacto físico. Los primeros impactos rompen la unión entre las dos y después los posteriores impactos las eliminan. Estas colisiones no se detienen de forma automática, es el operario que detiene un proceso que en décimas de segundo produce daños en la superficie limpia del material pétreo. [1]

Los agentes más utilizados en los métodos de limpieza químicos son los ácidos y las sales de ácidos, que pueden producir a medio o largo plazo reacciones secundarias no deseadas y migraciones hacia el interior del objeto, aunque a primera vista parezcan efectivos. También tienen riesgos para el personal que los utiliza y manipula.

2.2. Limpieza de material pétreo mediante luz láser

En este tipo de limpiezas, la luz interactúa con la materia siendo capaz de discriminar entre las pátinas y la capa de la superficie limpia. Esto es posible por la naturaleza monocromática de la luz láser que interactúa con la materia que se precisa eliminar. Eligiendo una longitud de onda determinada se consigue que interaccione con la suciedad pero que sea reflejada por la superficie del material pétreo (Fig. 2).

Esta es una de las ventajas que ha provocado que las técnicas de limpieza láser sean tenidas muy en cuenta en los procesos de restauración de los bienes culturales realizados en piedra, ya que no hay contacto directo entre la luz láser y la suciedad del objeto.

Figura 2

Figura 3

Su frecuencia puede ir desde el infrarrojo hasta los rayos X pero siempre tienen una gran pureza de color o frecuencia. Los electrones de los átomos son bombardeados por una fuente de energía. Después la energía acumulada de los electrones es emitida en forma de fotones que chocan con otros átomos exitados y liberan nuevos fotones. La luz es amplificada entre dos espejos y filtrada para que se se produzca de manera intensa, direccional y monocromática. [3]

John Asmus fue el primero en utilizar una luz láser en los años 70, en la eliminación de costras negras en una superficie de mármol. Las costras negras absorben la radiación pero en cambio la superficie del mármol la refleja quedando limpia e intacta. Al estudiar los efectos del láser Asmus descubrió que dependían de las propiedades de la luz, además del material.

El pulso de la luz láser también determina el grado de eliminación de materia. Un pulso normal de una duración aproximada de 1 ms no ocasiona cambios en el material una vez está limpio. En cambio un pulso corto o Q-switched con una duración aproximada de unos 35 ns puede llegar a producir eliminaciones en el material original.
Asmus pudo determinar a partir de estas experiencias que un impulso normal trabaja en base a un mecanismo térmico y que en cambio un pulso corto presenta mecanismos más complejos y también más difíciles de controlar en una limpieza.

Según el medio en el que se generan, el láser puede ser, entre otros:

• • Láser de estado sólido

Los medios más comunes en los láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí o vidrios y cristales con impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma que sus superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de mayor energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante un tiempo breve.[2]

• • Láser de estado gaseoso

El medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un vapor metálico, y suele estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el exterior de los extremos del tubo se sitúan dos espejos para formar la cavidad del láser. Los láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de electrones, corrientes eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio-neón resalta por su elevada estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz. Los láseres de dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de onda continua (CW, siglas en inglés) más potentes. [2]

• • Láser de estado líquido

Los medios más comunes en los láseres líquidos son tintes inorgánicos contenidos en recipientes de vidrio. Se bombean con lámparas de destello intensas —cuando operan por pulsos— o por un láser de gas —cuando funcionan en modo CW. La frecuencia de un láser de colorante sintonizable puede modificarse mediante un prisma situado en la cavidad del láser. [2]

El láser de estado sólido es el más utilizado en la conservación de monumentos pétreos, concretamente el de rubí y sobretodo el laser Nd-YAG a 1.064 nm.

Este último tipo de láser, cuya radiación es absorbida con facilidad por los contaminantes y con dificultad por el sustrato, consta de una barra de varios centímetros de longitud de un granate de aluminio e itrio (IY AG) con iones neodimio como impurezas (Nd). Son los iones de neodimio los que proporcionan los niveles de energía necesarios para la transición láser y el bombeo, el cristal de aluminio e itrio modifica las probabilidades de transición entre algunos de los niveles de energía del neodimio, haciendo las condiciones más favorables para que se produzca luz láser. La fuente de bombeo es una lámpara flash de xenón, que proporciona un intenso flash de luz de la misma forma que lo produce el flash de una cámara de fotos. La lámpara flash y el medio láser se colocan en el interior de un reflector elipsoidal para que la mayoría de la radiación que proviene de la lámpara incida en la barra del medio láser, aumentándose de esta forma la eficacia del láser. Si en vez de una lámpara de flash como fuente de bombeo se utiliza una lámpara halógena de cuarzo es posible obtener un láser emitiendo en continuo. [1]

Las principales propiedades del láser son:

• • • • Direccionalidad del rayo que permite su aplicación con gran precisión.
      • Brillo superior a cualquier fuente de luz que unido a la baja divergencia permite liberar grandes cantidades de energía en áreas muy concretas.
      • Pureza de la fuente de luz que permite seleccionar una longitud adecuada a cada trabajo.
      • Coherencia de la luz en los distintos puntos y a lo largo de sus direcciones.
      • Posibilidad de sintonizar una radiación láser en una determinada longitud de onda, por ejemplo, colocando un cristal de hidrogeno fosfato de potasio en la trayectoria de un rayo producido por el láser Nd-YAG. [1]

3.2. Limpieza de capas superficiales con láser

La ablación es el proceso físico que provoca la eliminación de un material superficial por la acción de un láser. Este fenómeno se basa en la conversión de una radiación electromagnética a una energía térmica, mecánica y química, provocando la desincrustación del material.

La ablación puede ser fototérmica o fotoquímica. En la ablación fototérmica la energía del fotón se transforma en un aumento de la temperatura de la superficie que provoca la expulsión del material. La ablación fotoquímica rompe los enlaces químicos sin que se produzca un calentamiento en la superficie.

4. CONCLUSIONES

En resumen, las ventajas del láser como sistema de limpieza frente a los métodos tradicionales hacen que su uso en conservación de obras de arte se tenga muy en cuenta como una importante técnica para la conservación de los bienes patrimoniales.

La principal ventaja del láser como sistema de limpieza viene determinada directamente por su capacidad de interaccionar intensamente con las capas de suciedad y de ser reflejada por una superficie ya limpia. Para ello es preciso seleccionar una radiación láser adecuada que sea capaz de discriminar entre suciedad y objeto.

Su acción es muy localizada y por tanto permite un trabajo preciso. El operador puede controlar en todo momento todo el proceso y evitar así cualquier daño en la superficie.

Referencias

[1] Gaviño, M. Alteración cromática de monumentos tras la limpieza con láser: origen, naturaleza y eliminación del amarilleamiento de las piedras. CSIC. Universidad de Sevilla. 2004
[2] http://html.rincondelvago.com/laser.html
[3] Escudero, C. Aplicación del laser para la limpieza de materiales siliceos: el color.

Bibliografía

• • Prada, J. L., Valenciano, A., Navarro, A.: “Procesos de alteración de materiales pétreos en edificios de interés histórico”. Acta Geológica Hispánica, Vol. 30. 1995. Pp. 97-110
  • Gisbert, J. y otros. “Caracterización y restauración de rocas, ladrillos y morteros”. Universidad de Zaragoza. Departamento de Ciencias de la Tierra. 2001