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SiLK - SicherheitsLeitfaden Kulturgut

9. Licht

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Lichtschutz
Ausbleichen, vergilben, nachdunkeln, verfärben, verspröden, verformen, verwölben, splittern, reißen, aufquellen, austrocknen, schrumpfen, sich auflösen – diese Aufzählung klingt nach äußerst destruktiven Einflüssen. Tatsächlich droht den Exponaten, die unter Tageslicht oder künstlichem Licht ausgestellt werden, oft mehr als nur eine dieser Gefahren.
Im Folgenden werden – nach einer kurzen Erläuterung zur optischen Strahlung – die Gefahren durch fotochemische Veränderungen bzw. thermodynamische Prozesse dargestellt und die möglichen Schutzmaßnahmen vorgestellt.

 


Optische Strahlung

Ein nicht zu unterschätzendes Gefahrenpotenzial entsteht, wenn Materialien die optische Strahlung – das sind kurzwellige ultraviolette (UV) Strahlung (100 bis 380 nm = Nanometer), Licht (sichtbare Strahlung) mit 380 bis 780 nm Wellenlänge und langwellige infrarote (IR) Strahlung (780 nm bis 1 Millimeter) – nicht vertragen. Optische Strahlung löst fotochemische oder thermodynamische (physikalische) Prozesse aus. Tageslicht mit seinem hohen UV-Anteil und der Wärmestrahlung der Sonne birgt immer erhebliche Risiken.
Lichttechniker und andere Wissenschaftler haben diese Phänomene untersucht (siehe hierzu die im Wissenspool angegebene Literatur). Das Resultat ist neben Erfahrungswerten und daraus abgeleiteten Tipps für konservatorische Maßnahmen des Lichtschutzes ein umfangreiches Formelwerk, das die Schadenswirkung zwar berechenbar, für den Nicht-Lichttechniker aber nicht verständlicher macht. Auf Formeln, mathematische Zusammenhänge und Berechnungen soll deshalb an dieser Stelle verzichtet werden.
Wichtig zu wissen:
1. Nicht die auf das Objekt auftreffende, sondern die absorbierte Strahlung ist maßgeblich für eine Schädigung. Fotochemische Veränderungen verlaufen langsam. Dabei sind Lichtschäden kumulativ, das heißt, kein Material vergisst eine Bestrahlung, ihre Stärke und Dauer.
2. UV-Strahlung und kurzwelliges Licht wirken in der Regel schädigender als langwelliges Licht und infrarote Strahlung. Das heißt, auch Strahlung im sichtbaren Bereich – also Licht – kann Schaden anrichten.


I. Fotochemische Veränderungen

Vor allem organische Materialien sind anfällig für fotochemische Veränderungen. Anorganische Materialien sind viel seltener betroffen. Im Museum werden vor allem Farbveränderungen gefürchtet, also das Ausbleichen, Vergilben, Nachdunkeln von Farbpigmenten, Bindemitteln, Schlussüberzügen in der Aquarell- und Ölmalerei, bei Papier, Textilien und Holz. Materialien werden im Hinblick auf ihre Empfindlichkeit gegenüber fotochemischer Schädigung kategorisiert:

 

 Kategorie  Beschreibung
 1.Unempfindlich    Das Objekt besteht aus festen Materialien, die lichtunempfindlich sind. Beispiele: Die meisten Metalle, Mineralien und Gläser, Stein, echte Keramik, Emaille.
 2. Geringe
Empfindlichkeit
Das Objekt besteht u.a. aus dauerhaften Materialien, die etwas lichtempfindlich sind. Beispiele: Öl- und Tempera-Gemälde, Fresken, ungefärbtes Leder und Holz, Horn, Knochen, Elfenbein, Lack, verschiedene Kunststoffe.
 3. Mittlere
Empfindlichkeit
Das Objekt besteht u.a. aus weniger dauerhaften Materialien, die lichtempfindlich sind. Beispiele: Kostüme, Aquarelle, Pastelle, Wandteppiche, Drucke und Zeichnungen, Manuskripte, Temperamalerei, Tapeten, Gouachen, gefärbtes Leder und viele historische Objekte aus natürlichen Materialien wie botanische Proben, Felle und Federn.
 4. Hohe
Empfindlichkeit
Das Objekt besteht aus sehr lichtempfindlichen Materialien. Beispiele: Seide, Zeitungen, bekanntermaßen wenig dauerhafte Farbstoffe.

Tabelle 1: Material-Kategorien gemäß CIE Publikation 157 (Control of Damage to Museum Objects by Optical Radiation, Technical Report, CIE 157:2004)  

Die folgenden Abbildungen zeigen den Einfluss fotochemischer Veränderungen bei Textilien.
    

   
 Kissen vor der Bestrahlung     Kissen nach der Bestrahlung

 

Die wichtigsten Parameter, die zu fotochemischen Prozessen beitragen, sind:

  1. Bestrahlungsstärke am Objekt.
  2. Bestrahlungsdauer: Zeit, in der ein Objekt der Bestrahlung ausgesetzt ist. Je höher die Bestrahlungsstärke ist und je länger die Bestrahlung andauert, umso höher ist das Gefahrenpotenzial.
  3. Spektrale Strahlungsverteilung der Lichtquelle (Tageslicht oder Lampen): Zu jeder Wellenlänge des Lichts gehört eine bestimmte Spektralfarbe. Weißes Licht setzt sich zusammen aus einer Vielzahl von Spektralfarben unterschiedlicher Intensität. Diese spektrale Strahlungsverteilung ist charakteristisch für den jeweiligen Lampentyp oder das Tageslicht. So dominieren bei Glühlampen die langwelligen roten Spektralfarben und beim Tageslicht die kurzwelligen blauen.
  4. Relative spektrale Objektempfindlichkeit: Sie kennzeichnet die Abhängigkeit der Lichtempfindlichkeit eines Objekts von den Wellenlängen der Bezugsstrahlung. Das höchste Schädigungspotential geht zwar von der UV-Strahlung (< 380 nm) aus, aber auch im Lichtbereich, insbesondere im blauen, ist die Objektempfindlichkeit nicht zu vernachlässigen.
  5. Wirksame Schwellenbestrahlung: Maß für die absolute Objektempfindlichkeit. Bei der ersten Bestrahlung beginnt die Veränderung lichtempfindlichen Materials – zunächst unsichtbar, später sichtbar. Die zahlenmäßige Bestimmung dieser Schwelle der beginnenden Sichtbarkeit ist der Maßstab zur Bewertung der Lichtempfindlichkeit. Die Schwellenbestrahlungsdauer (also die Zeit bis zum Erreichen der Schwelle) wird für einzelne Materialarten unter Tageslicht oder dem Licht verschiedener Lampen ausgewiesen.

Die wirksame Bestrahlung wird mathemtisch ermittelt aus den Werten für die optische Strahlung (spektrale Verteilung), für die Bestrahlung und für die relative Objektempfindlichkeit.


Außerdem spielen folgende Eigenschaften und Bedingungen bei fotochemischen Prozessen eine Rolle: 

  • Spektrale Absorptionseigenschaften des Materials und seine spezifische Disposition für Sekundärreaktionen. Die Strahlung ist photochemisch nur dann wirksam, wenn sie durch das Material absorbiert wird. Die grüne Farbe z.B., die sich aus der Mischung der blauen und gelben Pigmenten ergibt, wird nach photochemischer Wirkung der Strahlung immer mehr zu einer blauen Farbe übergehen, weil die blauen Pigmente energiereichere kurzwellige Strahlung (Blau) weniger absorbieren als die gelben Pigmente. Die blauen Pigmente werden somit weniger geschädigt und dominieren in diesem Fall nach der Schädigung die resultierende Farbe.
  • Umgebungs- und Objekttemperatur,
  • Feuchtigkeit im Objekt und in seiner Umgebung,
  • Schadstoffe oder Staub, die sich auf dem Objekt abgelagert haben,
  • Eigenschaften der verwendeten Farbstoffe und Pigmente.


Schädigungspotenzial
Die schädigende Bestrahlungsstärke und die Beleuchtungsstärke am Exponat stehen in einem festen Verhältnis zueinander. Dieses Verhältnis ergibt das Schädigungspotenzial. Es ist die entscheidende Größe zur Beschreibung des Schädigungsvermögens, das von einer Beleuchtungssituation mit bestimmten Lichtquellen und Filtern auf bestimmte Ausstellungsobjekte und Materialien ausgeht.
Das relative Schädigungspotenzial des Tageslichts und der in Tabelle 2 aufgeführten Lampen bezieht sich auf die Schädigungswirkung, die das ungefilterte Licht von Niedervolt-Halogenlampen hat (Bezugswert: 100 Prozent).

 

 Lichtquelle  ohne Kantenfilter
 Filterkante (nm)
 Fensterglas
     380  400 420 einfach doppelt
 Tageslicht  235  155  130  110  205  190
 Allgebrauchsglühlampe  85  75  70  65  80  75
 NV-Halogenlampe  100  80  75  70  90  90
Halogen-Metalldampf
Hochdrucklampe
 220  175  145  110  210  210
 Leuchtstofflampe neutralweiß  100  85  80  70  95  90
 Leuchtstofflampe warmweiß  90  75  70  60  85  85
 LED kaltweiß  80  80  80  75  80  80

 

Tabelle 2: Relatives Schädigungspotenzial von Lichtquellen mit und ohne Filter. Bei Wellenlängen, die kürzer sind als die angegebenen Grenzwellenlänge, lassen die Kantenfilter keine Strahlung durch. Das Licht mit höheren Wellenlängen soll möglichst ungehindert durchgelassen werden, um die Farbwiedergabe nicht zu beeinträchtigen. Die angegebenen Werte des relativen Schädigungspotentials sind für Kantenfilter angegeben, bei denen in nächster Nähe zu der angegebenen Grenzwellenlänge die Filterdurchlässigkeit (Transmission) von 0 % auf den maximalen Wert (ca. 85 %) ansteigt. Kantenfilter lassen sich z.B. durch hochwertige optische Gläser oder durch Beschichtung als "dichroitische Filter" realisieren.


Ein Objekt, das zum Beispiel 1.000 Stunden lang bei 200 Lux Beleuchtungsstärke dem Licht einer Halogen-Metalldampflampe mit einem Kantenfilter bei 380 nm (einfacher UV-Schutz) ausgesetzt ist, erfährt mit 180 Prozent eine fast doppelt so starke Schädigung wie durch eine ungefilterte Niedervolt-Halogenlampe.
Das bedeutet im Umkehrschluss: Für denselben Grad der Schädigung kann das Objekt mit dem ungefilterten Licht einer Niedervolt-Halogenlampe fast doppelt so lange oder fast doppelt so stark beleuchtet werden wie mit dem gefilterten Licht der Halogen-Metalldampflampe.

Vorbelichtung
Untersuchungen belegen, dass für die Auswahl der Beleuchtung eines Exponates auch dessen Vorbelichtung eine Rolle spielen kann: So schaden bereits kleine Dosen einer wirksamen Bestrahlung noch niemals ausgestellten, nicht vorbelichteten Objekten während älteres, vorbelichtetes und schon verändertes Material für denselben Schaden mit viel höheren Dosen bestrahlt werden müsste.
Viele molekulare Abbauprozesse verlangsamen sich stetig, kommen schließlich gar zum Stillstand. In diesen Fällen ist es möglich, die Lichtschutzmaßnahmen auf die Zeit der Vorbelichtung abzustimmen und zu verringern. Die Vorbelichtung lässt sich am besten ermitteln, wenn alle Zeiten (und Arten) der Bestrahlung dokumentiert sind. Um die Vorbelichtung mit Vergleichsmessungen feststellen zu können, müssen am Objekt unbelichtete Partien vorhanden sein.


Schutzmaßnahmen gegen fotochemische Veränderungen
Wenn fotochemische Prozesse erst gar nicht oder zumindest vermindert in Gang gesetzt werden sollen, bedeutet Lichtschutz die Verringerung der wirksamen Bestrahlung. Vor allem sollte die besonders schädliche kurzwellige, insbesondere die UV-Strahlung verringert oder gänzlich ausgeschlossen werden.
Dafür gibt es mehrere wirksame Maßnahmen:

  1. Wahl der geeigneten Lichtquelle: Sehr empfindliches Material sollte mit Licht beleuchtet werden, das wenig Schädigungspotenzial hat (siehe Tabelle 2).
  2. Ausfiltern der schädigenden Strahlung: Sollen andere Lampen eingesetzt oder Strahlung völlig ausgeschlossen werden, kann die kurzwellige Strahlung herausgefiltert werden. Halogenlampen für Netzspannung und Niedervolt gibt es zwar mit integriertem UV-Stopp, doch genügt dieser nicht den konservatorischen Anforderungen. Mittel der Wahl sind spezielle Filter. Glasfilter, Absorptionsfilter, dichriotische Filter, Kunststoffgläser oder -folien – die Auswahl ist groß, für jede Anwendung stehen geeignete Filter zur Verfügung. Mit ihnen kann die kurzwellige Strahlung bis 380 nm ausgefiltert werden. Eliminiert der Filter außerdem das kurzwellige blaue Licht bis zur Grenzwellenlänge 420 nm, so kann der Schutz vor fotochemischer Veränderung verbessert werden, ohne dass sich die Farbwiedergabe merkbar verschlechtert. Beim Ausfiltern weiterer Wellenlängen > 420 nm kann dies nicht mehr sichergestellt werden. Alternativen zu Filtern am Lichtaustritt (Lampe) sind Vitrinenglas oder Bildverglasungen, die die UV-Strahlung herausfiltern.
  3. Begrenzung der Belichtung
    Für die maximalen jährlichen Belichtungsdosen in Abhängigkeit von der Objekt-Empfindlichkeit siehe Tabelle 3. Ausgehend von 300 Öffnungstagen im Jahr und 10 Präsentationsstunden pro Tag ergeben sich hieraus maximale Beleuchtungsstärken auf den Objekten. Da die Bestrahlung, d.h. das Produkt aus Bestrahlungsstärke und Bestrahlungsdauer, die Höhe der Schädigung bestimmt, kann bei kürzeren jährlichen Präsentationszeiten die Beleuchtungsstärke entsprechend erhöht werden. Bei einer Beleuchtungsstärke < 50 Lux (lx) können weder die Farbe noch Details eines Objektes befriedigend erkannt werden. Daher wird für sehr empfindliche Objekte eine Reduzierung der Belichtungszeit auf 300 Stunden pro Jahr (h/a) anstelle einer Absenkung der Beleuchtungsstärke unter 50 lx empfohlen.
    Exponate und Ausstellungsräume sollten möglichst nur für kurze Zeit beleuchtet werden. Außerhalb der Öffnungszeiten ist Dunkelheit das Beste; für die Reinigung (Putzlicht) oder für Aufbau- / Abbau- und Reparaturarbeiten ist eine separate, nicht schädigende Beleuchtung empfehlenswert, zumindest sollte die reine Präsentationsbeleuchtung dafür ausgeschaltet bleiben und die Allgemeinbeleuchtung gegebenenfalls gedimmt werden. In vielen Fällen sind Anwesenheitssensoren ein geeignetes Mittel, um die Bestrahlung während der Öffnungszeiten zu begrenzen. Rechtzeitiges Dimmen gestaltet den Übergang Dunkel / Hell visuell angenehm. Das Ausschalten sollte mit reichlicher Zeitverzögerung programmiert werden.

 

Material-Kategorie Grenzwert der Beleuchtungsstärke in lx Jährliche Präsentationszeit in h/a Grenzwert der Belichtung pro Jahr in lx h/a
1. Unempfindlich Unbegrenzt Unbegrenzt Unbegrenzt
2. Geringe Empfindlichkeit 200 3.000 600.000
 3. Mittlere Empfindlichkeit  50  3.000  150.000
 4. Hohe Empfindlichkeit  50  300  15.000

 

Tabelle 3: Grenzwerte der jährlichen Belichtung (in lx h/a) und Beleuchtungsstärke (in lx) (entnommen aus der CIE Publikation 157, siehe Tabelle 1)

 

4. Schutz vor Tageslicht

Zum Lichtschutz gehört, dass auch das Tageslicht in seiner Beleuchtungsstärke begrenzt wird. Für entsprechend empfindliche Exponate müssen auch die UV-Strahlung und das kurzwellige Licht ausgefiltert werden. Zu diesen Schutzmaßnahmen dienen Tageslichtsysteme wie z.B. Vorhänge, Lamellen und UV-Schutz-Folien. Sie werden in der Regel als Kombination eingesetzt. Die Tageslichtsysteme verhindern den direkten Sonnenlichteinfall und vermindern das Beleuchtungsniveau, während die Folien die UV-Strahlung ausfiltern und gleichzeitig das Beleuchtungsniveau zusätzlich herabsetzen. 

 

II. Thermodynamische Prozesse
Von thermodynamischen Prozessen sind nahezu ausschließlich organische Materialien betroffen: Holz, Textilfasern, Pergament, Leder und andere. Die Wärmebelastung des Ausstellungsobjektes entsteht durch Absorption von Licht und infraroter Strahlung. Die Erwärmung führt überwiegend zu Trocknungsprozessen. Beim Austrocknen verringern sich Zugfestigkeit, Elastizität und Volumen, unter der entstandenen mechanischen Spannung verformt sich zunächst die Oberfläche, häufig danach auch das gesamte Objekt.
Die physikalischen Veränderungen durch Wärmestrahlung sind gravierender bei gleichzeitig ablaufenden fotochemischen Prozessen, die von der Wärme beschleunigt werden und in Wechselwirkung zu den thermodynamischen Prozessen treten. Auch wenn Temperatur und Feuchtigkeit wechseln, zum Beispiel durch das Ein- und Ausschalten von Lichtquellen, beschleunigt sich die physikalische Veränderung.
Anders als die molekulare Veränderung bei fotochemischen Prozessen, die zum Stillstand kommen kann, wirkt die thermische Belastung durch Bestrahlung immer schädigend. Die thermodynamische Wirkung der Strahlung am Objekt wird durch seine thermische Empfindlichkeit und Bestrahlungsstärke am Objekt bestimmt. Dabei ist vor allem die absorbierte Strahlung maßgebend. Für die thermische Belastung des Ausstellungsraums durch künstliche Beleuchtung ist das Produkt aus der Lichtausbeute der Lampen und dem Beleuchtungswirkungsgrad der Beleuchtungsanlage entscheidend.

Schutzmaßnahmen gegen thermodynamische Prozesse
Die Schutzmaßnahmen gegen Wärmebelastung sind größtenteils mit denen gegen fotochemische Prozesse identisch (s.o.). Wirksame Maßnahmen sind:

  1. Wahl der geeigneten Lichtquelle: Für wärmeempfindliche Materialien eignen sich nur Lampen, deren Licht wenig infrarote Strahlung enthält. Bei Verwendung von Niedervolt-Halogenlampen sind Kaltlichtspiegel-Lampen die richtige Wahl. Keine infrarote Strahlung ist im Lichtbündel von faseroptischen Beleuchtungssystemen und Leuchtdioden (LEDs) enthalten.
  2. Ausfiltern der schädigenden Strahlung mit Infrarot-Filtern
  3. Begrenzung der Belichtung
  4. Ableitung der Wärme: Auch bei Lampen, deren Lichtstrom wenig Wärme enthält, kann sich die Leuchte und ihre unmittelbare Umgebung erwärmen. Das ist zum Beispiel in Vitrinen relevant. Damit diese sekundäre infrarote Strahlung keine Schäden anrichtet, muss sie abgeleitet werden. Die Luftzirkulation kann gegebenenfalls mit Ventilatoren erhöht werden.
  5. Schutz vor Tageslicht
    Die infrarote Strahlung des Tageslichts ist genauso schädlich wie die von Lampen. Direktes Sonnenlicht muss daher immer „ausgesperrt“ werden.

Sirri Aydinli und Paul Schmits

 

 

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