Limpieza de Piedras Con Láser: Investigación y desarrollo de un sistema láser optimizado

Roberto Pini, Salvatore Siano, Francesca Fabiani, Renzo Salimbeni (Istituto di Elettronica Quantistica, Firenze, Italia), Marco Giamello, Giuseppe Sabatini (Istituto di Geochimica Ambientale e Conservazione del Patrimonio Culturale Lapideo, Siena, Italia).

La limpieza con láser es una prometedora técnica de conservación que ha sido empleada recientemente en pruebas para la eliminación o alteración de capas desde la superficie de elementos de piedra, tales como estatuas, elementos arquitectónicos y decoración de fachadas de edificios históricos. Esta técnica ofrece beneficios potenciales, tales como operaciones de limpieza controladas y selectivas, lo que permite enfrentarse a problemas de conservación que aun no se han resuelto o son de difícil solución con las técnicas de conservación habituales.

En el marco del Proyecto Especial "Salvaguarda de la Herencia Cultural", comenzamos en 1.997 un programa de investigación sobre la aplicación del láser a la restauración.

Este programa se lleva a cabo de acuerdo con estas cuatro líneas de investigación:

1. Estudios básicos de los procesos físicos y químicos relativos a la limpieza de la piedra con láser.
2. Pruebas de laboratorio de varios tipos de piedra para determinar los parámetros de láser óptimos.
3. Diseño y desarrollo de sistemas de láser dedicados a la restauración de piedra.
4. Pruebas de campo e intervenciones operativas en estatuas y monumentos. Principios de la interacción láser-piedra

El primer paso para entender las bases de la limpieza de las piedras con láser consiste en la caracterización óptica de la superficie de la piedra, incluyendo alteración de capas y patinas. En otras palabras, la respuesta de la piedra a la irradiación de láser de baja potencia tiene que ser determinada en términos de absorción y reflexión de energía láser, para poder cuantificar la fracción que efectivamente se transfiere al material y se utiliza en el proceso de limpieza. Como todos estos datos generalmente no están disponibles en la documentación del material, hay que obtenerlos directamente de las muestras de piedra.

Como ejemplo, la figura 1 muestra la compleja microestratografía de una fina sección de mármol alterado y la tabla 1 muestra los valores medidos de la absorción óptica en el substrato de piedra y de la alteración de capas en la frecuencia de láseres Nd:YAG, habitualmente empleados para la limpieza de piedra.

Estas distintas absorciones ópticas mostradas por la alteración de las capas y substratos se pueden utilizar para obtener una selectividad significante de las operaciones de limpieza con láser. De hecho, se puede encontrar un valor óptimo de energía de láser que es efectivo para retirar las cortezas negras.

La respuesta de la piedra a disparos de láser de alta energía a niveles adecuados para la limpieza de la piedra se estudió mediante diagnósticos de imagen que permitían observar y analizar el muy rápido proceso que se produce durante la interacción láser-piedra. En concreto, el análisis suministró información cuantitativa sobre la evolución de los parámetros físicos durante este corto tránsito, tales como presión y temperatura. Con esta herramienta de diagnóstico comparamos el mecanismo de limpieza de la piedra con diferentes sistemas de láser. En concreto, comprobamos la dependencia de la duración del impulso del láser con respecto a la morfología de la superficie resultante tras el tratamiento de láser. En cuanto al control de posibles efectos secundarios, descubrimos que disparos cortos de láser, medidos en nanosegundos, pueden causar daños mecánicos a la superficie del material irradiado, tales como roturas locales, microfragmentación y aumento de porosidad del substrato, mientras que el riesgo modificaciones inducidas por calor es mayor cuando el impulso del láser es más largo (milisegundos) y los efectos típicos de la radiación continua se pueden reconocer. El problema del aumento de la absorción local debido a la presencia de impurezas que puede provocar cambios de color en las supercies tratadas también se está estudiando.

Pruebas de laboratorio

Se reunió una larga colección de muestras de piedra obtenidas de monumentos italianos, principalmente de Siena y Florencia, que presentaban condiciones de degradación. Las piedras sometidas al láser fueron: mármol blanco, caliza rosso ammonitico, caliza cavernoso, arenisca Plioceno, arenisca pietra forte, travertino y caliza Aurisina..

Se emplearon tres tipos de láser Nd: YAG, según se ve en la tabla 2. Uno de ellos (SFR) es el prototipo del sistema que hemos desarrollado. Los métodos analíticos para evaluar los efectos de la limpieza con láser fueron los de caracterización mineralógica y petrográfica, efectuadas antes y después del tratamiento: 1) observación de la superficie de la piedra a través de estereomicroscopio y SEM; 2) difractometría por rayos X; 3) observación de secciones ultrafinas a través de microscopio polarizado.

La foto nº 2 muestra las fases de la limpieza con láser y los análisis sobre una muestra de mármol con corteza negra recogida en el Baptisterio de Siena. Generalmente, las muestras se preparan seleccionando diferentes áreas donde se han probado distintas condiciones de irradiación, como se ve en la foto 2 a. La foto 2 b es una imagen estereomicroscópica de la transición entre la superficie limpia y la superficie sin limpiar. En el área tratada, la limpieza con láser descubre una patina bien conservada de oxalato de calcio, donde aún son reconocibles restos de los surcos provocados en el trabajo original. Este dato se confirmó mediante el estudio de secciones ultrafinas, que mostraban una película de oxalato de calcio preservada.

En resumen, las pruebas de laboratorio pusieron de relieve importantes aspectos intrínsecos de esta técnica:

1. la limpieza con láser es muy precisa y progresiva porque elimina capas de pocos micrones por cada impulso del láser. Esto significa que las operaciones de limpieza siguen la microestratografía de la alteración de las capas y se puede interrumpir a niveles estratográficos predeterminados. Como consecuencia, se pueden preservar las patinas originales aunque tengan un mínimo espesor (micrones).
2. se pueden tratar con éxito superficies muy débiles y altamente alteradas. Esto permite llevar a cabo la limpieza antes de la consolidación.
3. se pueden limpiar superficies químicamente complejas, tales como las que han sido sometidas a tratamientos previos con fluosilicatos, donde generalmente la limpieza por medios químicos resulta imposible.

Diseño de un sistema para aplicaciones de campo

Basado en los resultados de laboratorio, desarrollamos (en cooperación con Electronic Engineering de Calenzano, Florencia, EL.EN. SpA) un innovador sistema de láser, con el objetivo de mejorar sus cualidades intrínsecas y su manejo, para optimizar los procedimientos de limpieza con láser y facilitar su aplicación en el campo de la restauración. Este láser es el Nd:YAG con transmisión por fibra óptica y su nombre es "Smart Clean". Fue diseñado para emitir disparos de láser de 20 ms, lo que permite reducir el riesgo de provocar a la piedra daños fotomecánicos o daños producidos por el calor, que es lo que suele ocurrir con impulso más cortos o más largos, respectivamente. Además, esta duración del impulso permite la transmisión de alta energía láser a través de fibras ópticas largas (50 m), lo que facilita su aplicación en fachadas, dejando la cabina del láser en el suelo.

Este sistema láser se ha utilizado en operaciones de limpieza y pruebas en monumentos italianos tales como el Palacio Rucellai y la Catedral de Florencia, la capilla de la Plaza del Campo en Siena, el mausoleo de Teodorico en Ravenna y la Iglesia de San Giovanni en Zoccoli en Viterbo. En la mayoría de los casos se requirió la intervención del láser para completar la limpieza después de la aplicación de productos químicos (tales como carbonato de amonio), que eliminan la corteza negra pero no pueden tratar la capa oscura superficial de la patina interna de oxalato de calcio que encapsule partículas carbónicas. En un caso se empleó con éxito el sistema láser en la limpieza de un grafito provocado por pintura sintética roja.

Conclusión

Con el desarrollo de estas investigaciones, llegaremos a un análisis en profundidad de la limpieza con láser mediante estudios comparativos dirigidos a validar esta técnica para integrarla en métodos convencionales de limpieza o para sustituirlos, con una atención especial al estado de conservación de las superficies de piedra después de largos periodos de tiempo. Los estudios de laboratorio se extenderán a una mayor cantidad de tipos de piedra. Se espera que las mejoras tecnológicas aplicadas al desarrollo de sistemas láser los hagan más accesibles para la aplicación en superficies mayores y a precios más bajos. Finalmente, un punto crucial para la segura y correcta utilización del láser en la limpieza de la piedra será la formación de restauradores expertos mediante cursos multidisciplinarios relacionados con todos los aspectos de este nuevo procedimiento.

Los autores agradecen al Proyecto Especial "Herencia Cultural" del CNR y al Centro de Trabajo de Alta Tecnología de Tuscany su ayuda financiera en esta investigación.