De wetenschap achter het museumbezoek

De wereldberoemde Mona Lisa is misschien wel het bekendste voorbeeld van schade aan een schilderij. We kennen deze dame met barstjes in haar huid, ook wel craquelé genoemd. Hoewel deze verftechniek nu soms met opzet wordt nagebootst, zo heeft Da Vinci het natuurlijk nooit zo bedoeld. Helaas is 70 % van de olieverfschilderijen, in musea wereldwijd, op deze manier aangetast.

KLIMAATDREIGING

Intussen wacht ons cultureel erfgoed een nieuwe dreiging. Klimaatverandering brengt steeds vaker hevige buien, extreme hitte en langdurige droogtes. Die extreme weersomstandigheden bedreigen onze monumenten en beelden in de buitenlucht. Maar ook objecten binnenshuis, zoals schilderijen in musea worden eraan blootgesteld. Het binnenmilieu van musea moet namelijk zo constant mogelijk blijven, en luchtvochtigheid is funest voor deze delicate werken. Klimaatsystemen die de luchtkwaliteit bewaken, moeten daardoor steeds harder werken om de omstandigheden constant te houden. En dat terwijl ook verduurzaming steeds hoger op de agenda staat, waardoor het energieverbruik juist teruggeschroefd moet worden.

Het is daarom belangrijk om meer inzicht te krijgen in de invloed van kimaatverandering op onze kunst, om de potentiële schade of het verlies van ons cultereel erfgoed tegen te gaan of zo veel mogelijk te verminderen.

Aan de Technische Universiteit Eindhoven zijn verschillende onderzoeksgroepen bezig met het behoud van ons erfgoed, veelal in samenwerking met grote Nederlandse musea. Zij bestrijden met alle macht de metaalzepen, het vocht, het zout en de temperatuurwisselingen die de schilderijen aantasten. Kies hieronder over welk onderwerp u meer te weten wilt komen. Of scroll door om alle onderwerpen na elkaar te lezen.

• METAALZEPEN, GROEIENDE BOLLETJES VAN BINNENUIT
• VOCHT, DE STILLE MOORDENAAR
• VEROUDERING, OUD HOUT BREEKT SNEL
• ZOUT, STEEN LOST VOOR JE OGEN OP
• KLIMAATSYSTEEM, LUCHTDOOS MET STABIELE TEMPERATUUR

Metaalzepen, groeiende bolletjes van binnenuit

Barsten in historische olieverfschilderijen kunnen ontstaan door een chemisch proces in de verf. De pigmenten in de verf bevatten metalen zoals lood en zink. En deze kunnen reageren met vetzuren die ontstaan als degradatieproduct uit het oliebindmiddel. Hieruit vormen zich zogenoemde metaalzepen. Vanuit de faculteit Built Environment onderzoeken hoogleraar Akke Suiker en universitair docent Emanuela Bosco de chemo-mechanische processen die dan optreden bij olieverfschilderijen. Bosco ontving in 2017 vanuit NWO een prestigieuze Veni-beurs voor dit onderzoek.

Suiker: “Doordat metaalzepen meer plaats innemen dan de verf zelf, ontstaan er drukspanningen in het metaalzeep en trekspanningen rondom. Metaalzepen manifesteren zich als groeiende bolletjes in de verf. Op een zeker moment verschijnen ze aan het oppervlak van het schilderij en kunnen dan leiden tot het lokaal scheuren van de verf.” Afhankelijk van de precieze samenstelling van de verf – de grote meesters maakten allemaal hun eigen verf – is deze ontwikkeling heftiger of minder heftig. “Begrijpen we dat proces, dan kunnen we de vorming van metaalzepen in de toekomst hopelijk vertragen of zelfs tegengaan”, aldus Suiker. Suiker en Bosco ontwikkelden samen met promovendus Gijs Eumelen en onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam een model dat kan voorspellen wanneer een metaalzeep zal ontstaan, hoe deze zich vervolgens ontwikkelt en of er lokale scheuren optreden.

RODE DAKEN VERSCHIETEN KLEUR

De schilderijen in het Mauritshuis in Den Haag kampen ook met de vorming van metaalzepen. De rode daken in het schilderij ‘Gezicht op Delft’ van schilder Johannes Vermeer vertonen steeds meer witte plekjes en kleine scheurtjes. Om te voorspellen hoe de metaalzepen zich ontwikkelen in dit schilderij, wilden Suiker en zijn collega’s ook meer te weten komen over de kleinschalige mechanische eigenschappen van de verf. Aan de hand van experimenten uitgevoerd door het Getty Conservation Institute in Los Angeles berekenden de onderzoekers met een model de mechanische eigenschappen van minuscule kleine stukjes verf. De verfschilfertjes worden daarbij in een hars gegoten en mechanisch ingedrukt door een piepklein naaldje, een proces dat nano-indentatie heet.

Bosco en Suiker gebruiken de resultaten uit die analyse én hun ontwikkelde modellen nu in een nieuw Horizon 2020-project van ERC, genaamd CollectionCare (filmpje). In een samenwerkingsverband met 18 partners, waaronder musea en universiteiten, willen zij musea helpen bij de conservering van hun kunststukken. Dit doen ze met sensoren, big data en modellen die de achteruitgang van een museumstuk kunnen vaststellen en voorspellen.

• PAPER: "A COMPUTATIONAL MODEL FOR CHEMO-MECHANICAL DEGRADATION OF HISTORICAL OIL PAINTINGS DUE TO METAL SOAP FORMATION"

Vocht, de stille moordenaar

Het gevaar voor schilderijen schuilt niet alleen binnenin. Ook de omgeving van het kunstwerk heeft een grote invloed. Vooral vocht is een gevreesde boosdoener. Suiker: “Wanneer er vocht wordt onttrokken uit een verflaag, dan krimpt deze. Hierdoor ontstaan spanningen die kunnen leiden tot barstjes en scheurtjes, ook wel delaminatie genoemd. De verf kan daardoor loslaten van de onderlaag, het springt er als het ware af. Dat noemen we spallatie, als gevolg van de delaminatie.” Bosco en Suiker hebben dit proces gemodelleerd in samenwerking met hoogleraar Norman Fleck van Cambridge University, die in 2014 een eredoctoraat aan de TU Eindhoven heeft ontvangen. Ze stelden hiervoor de materiaaleigenschappen vast, waaraan een verflaag in een historisch schilderij moet voldoen om delaminatie te voorkomen. Ook keken ze welke luchtvochtigheid het museum moet hebben om delaminatie van historische verflagen zoveel mogelijk te beperken.

VERFLAAG STOPT VOCHT

Maar vochtonderzoek gaat nog verder dan dat. Een schilderij kan namelijk – helaas – ook in zijn geheel verbuigen of zelfs volledig doorscheuren. Zestiende-eeuwse houten paneelschilderingen zijn daar erg gevoelig voor. Ze dienden destijds als religieuze objecten in kerken en werden geschilderd op hout, omdat canvas nog niet bestond in die tijd. De kwetsbaarheid zit hem in de verflaag op het hout. 

Bernardus Swaerdecroon, 1646. Schade is zichtbaar in de verticale richting, waar de drie houten panelen aan elkaar bevestigd zijn. (Rijksmuseum inv. no. SK-A-828).

Leo Pel van de faculteit Applied Physics wilde voorspellen welke vochtschommelingen nog veilig zijn voor een paneelschilderij. Voormalig promovendus Thomas Arends ontwikkelde in zijn promotieonderzoek bij de faculteiten Applied Physics en Mechanical Engineering daarom een wiskundig model dat voorspelt hoe de panelen precies verbuigen bij bepaalde schommelingen in vochtgehalten.

Voor zijn experimenten gebruikte Arends onder andere een oude eikenhouten deur van minstens 134 jaar oud, die in het originele Rijksmuseum had gestaan. Met een MRI-scanner keek hij hoe het vocht zich verspreidde in het hout. “Daarmee konden we aantonen dat dat het vocht zich ongelijk verdeeld in het hout”, zegt Arends. "De verflaag van het schilderij sluit als het ware het hout aan één kant af voor vocht. Hierdoor trekt het vocht vooral aan de achterkant het hout binnen, waardoor het schilderij krom trekt."

DUN HOUT BUIGT VERDER

In opdracht van het Rijksmuseum en de Rijksdienst voor Cultureel Erfgoed keek voormalig promovendus Thomas Arends naar de invloed van de dikte van het paneel op de totale uitbuiging van het hout én op de tijdsschaal waarbinnen de fluctuatie optreedt.

In een kleine klimaatkamer met instelbare luchtvochtigheid bevestigde Arends hiervoor een eikenhouten plank die aan één kant was gecoat om zo de verflagen te imiteren. De plank werd aan de onderzijde vastgeklemd, waardoor alleen de bovenzijde van het hout kon buigen. Een camera stelde vervolgens de mate van verbuiging vast, waarbij de luchtvochtigheid van 50 procent in enkele seconden werd opgevoerd tot 90 procent.

De resultaten uit de experimenten vormden vervolgens de basis voor een wiskundig model. Het model voorspelt daarmee de buiging voor elke schommeling in luchtvochtigheid, dikte van het hout én dikte van de verflagen. Arends: “Uit het model blijkt dat vooral de snelheid van de schommelingen bepalend is voor de schade die optreedt. Dunne panelen zijn daarbij het meest kwetsbaar.”

• THESIS: "DYNAMIC MOISTURE-INDUCED BENDING OF OAK BOARDS: AN EXPERIMENTAL STUDY"

Veroudering, oud hout breekt snel

Ook 17^de eeuwse houten kabinet-deuren zijn erg gevoelig voor vocht. Ze bestaan uit meerdere houten planken, die aan elkaar zijn gelijmd en vaak met een dwarslat zijn vastgelijmd of vastgespijkerd. Hout zet uit in de richting loodrecht op de houtnerf en de dwarslat beperkt dat proces. Juist door dat lijmen of spijkeren van de dwarslat nemen de trekspanningen nog verder toe, waardoor het hout sneller scheurt. Hoe dat scheuren mechanisch werkt, bij kabinet-deuren van de Rijksmuseumcollectie, wilde voormalig promovendus Rianne Luimes onderzoeken voor haar promotieproject bij de faculteit Built Environment aan de TU/e. Haar onderzoek was onderdeel van het NWO Climate4Wood project en werd in samenwerking met het Rijksmuseum uitgevoerd.

Luimes ontdekte dat ouder hout minder sterk is dan jong hout. "Een houten kastdeur zal over een tijdsspanne van meerdere eeuwen verouderen en hierdoor langzaam minder bestand zijn tegen fluctuaties in luchtvochtigheid", aldus Luimes.

OUD HOUT

Om de conclusie te kunnen trekken dat oud hout minder sterk is, onderwierp Rianne Luimes stukken hout uit de 14de, 17de en 21ste eeuw aan een zogenoemde breuktest. Hierbij voerden Luimes en haar begeleiders de kracht op het hout op tot het brak. De resultaten valideerde Luimes vervolgens met computersimulaties.

Haar computermodel kan nu voorspellen of een kastdeur bij een bepaalde toegestane vochtfluctuatie risico loopt op schade, gebaseerd op de manier waarop de planken aan elkaar zijn gelijmd én hoe oud het hout is.

BEKIJK DE VIDEO VAN DE KENNIS VAN NU OVER ONDER MEER HET WERK VAN RIANNE LUIMES

PAPER: "FRACTURE BEHAVIOUR OF HISTORIC AND NEW OAK WOOD"

Zout, steen lost voor je ogen op

Naast vocht en metaalzepen, is ook zout funest voor kunstvoorwerpen. Sterker nog; voor poreus materiaal vormt zout het grootste gevaar. Denk daarbij aan beelden, potten en vazen in musea. Maar ook muurschilderingen in kerken en kastelen. Zelfs complete gebouwen lopen het risico op onherstelbare schade.

Wie op vakantie is in Zuid-Europa, ziet vaak kerken of standbeelden met een karakteristieke honingraatstructuur. Dat is een typisch voorbeeld van zoutverwering. Vooral het materiaal kalksteen is erg gevoelig voor zout. 

Onderzoeker Leo Pel bekijkt vanuit de faculteit Applied Physics de kristallisatiedruk die ontstaat door zout. Hij onderzoekt welke mechanische schade dan optreedt en wat eraan gedaan kan worden.

KRISTALLISATIE

Zout sijpelt een materiaal binnen als oplossing en gaat vervolgens in de poriën van het kunstvoorwerp zitten. Pel: "Zodra de temperatuur toeneemt of luchtvochtigheid daalt, kristalliseert het zout naar een vaste stof. Schommelt de luchtvochtigheid erg, dan lost het zout steeds weer opnieuw op en kristalliseert het vervolgens weer. De zoutkristallen groeien dan, waardoor de druk op het materiaal oploopt." Dit kan op het oppervlak gebeuren, en is dan zichtbaar als wit poeder op bijvoorbeeld een muurschildering. Of het gebeurt binnenin het materiaal, en blijft dan als sluipmoordenaar wachten tot de druk zo groot is dat het materiaal breekt. Die laatste vorm is daardoor het meest gevaarlijk.

Hoe zout inwerkt op kunstvoorwerpen bestaande uit één materiaal is de afgelopen jaren uitvoerig onderzocht. Maar tegels en fresco's bestaan uit meerdere lagen van verschillende materialen. Hoe het zout zich gedraagt tussen deze lagen is niet bekend. Pel start daarom in samenwerking met het Rijksmuseum en onderzoekers van de universiteiten uit Amsterdam, Bologna (Italië) en Pau (Frankrijk), binnenkort een nieuw onderzoek naar gelaagde objecten.

MEERDERE LAGEN

De onderzoekers binnen het nieuwe project CRYSTINART willen weten waarom de gelaagde tegels in het Rijksmuseum zo gevoelig zijn voor zoutschade. Pel wil hiervoor met een heuse medische MRI-scanner in zijn lab het transport van water en zouten in beeld brengen. Deze unieke gegevens moeten vervolgens een model vormen die schade kan voorspellen. Het project hoopt daarmee nieuwe behandelmethoden te ontwikkelen om te voorkomen dat objecten in musea nog verder vergaan.

• PROJECT CRYSINART

Klimaatsysteem, luchtdoos met stabiele temperatuur

Het begrijpen hoe vocht, metaalzepen en zout schade toebrengen aan schilderijen en kunstobjecten is enorm belangrijk. Maar een kortetermijnoplossing is zorgen dat deze boosdoeners niet eens bij het schilderij in de buurt komen. Klimaatsystemen proberen de lucht rondom de schilderijen in musea daarom zo constant mogelijk te houden. Deze systemen beperken de temperatuurfluctuaties en vochtfluctuaties in het gehele museum.

KERKBANKVERWARMING BESCHERMT KOSTBARE FRESCO’S

Onderzoeker Henk Schellen van de faculteit Built Environment doet al zijn hele leven onderzoek naar dit soort systemen. “De problemen ontstaan vaak als een historisch gebouw moet worden verwarmd. Een kerk krijgt bijvoorbeeld ineens een stralingsverwarming, waarbij liters water vrijkomen die op de muren gaan condenseren en de fresco’s kapot maken. Of er wordt vloerverwarming geïnstalleerd, waardoor enorme luchtbewegingen ontstaan en de monumentale muurschilderingen op het gewelf na verloop van tijd zwart kleuren door het roet uit de kaarsen.”

Schellen wordt dan gevraagd om de beste oplossing aan te dragen. Dit is vaak een luchtbehandelingsinstallatie in plaats van bestaande hete luchtverwarming, waarbij zowel de luchttemperatuur als de relatieve vochtigheid geregeld worden. Ook kerkbankverwarming is een goede oplossing, dan hoeft niet de hele kerk te worden verwarmd.

DAGBOEK ANNE FRANK GERED

Henk Schellen werd al in 2003 door het Anne Frank Huis gevraagd om te adviseren bij het klimaat in de oorspronkelijke kamer van Anne. Het ging daarbij om het beschermen van behangfragmenten in de kamer, die leden onder de vochtproductie van de vele bezoekers. Onlangs adviseerde Schellen samen met PhD-student Karin Kompatscher nogmaals het Anne Frank Huis, om te helpen met het beschermen van de wereldberoemde manuscripten geschreven door Anne Frank. Hoewel deze waardevolle documenten in een vitrine lagen, hadden ze vóór de renovatie toch te kampen met temperatuurfluctuaties tussen de 19 graden Celsius ’s nachts en 24 graden Celsius overdag. Schellen en Kompatscher moesten zorgen voor een constante temperatuur van 17 graden Celsius. Een stabiele temperatuur voor de manuscripten zorgt namelijk voor een lager risico van chemisch verval van het papier.

Schellen en Kompatscher rekenden aan een zogenoemde doos-in-doos constructie, waarbij de manuscripten veilig in de binnenste vitrine liggen, terwijl de temperatuur in de vitrine daar omheen strikt wordt gereguleerd met een klimaatsysteem. De oplossing bood, naast een constante temperatuur, tegelijkertijd demping tegen de trillingen van lopende bezoekers op de oude houten vloer. Bovendien kon hierdoor de relatieve vochtigheid op een passieve manier, namelijk met silica gel, erg stabiel worden gehouden.

• PAPER: "EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS OF A NOVEL DISPLAY CASE DESIGN: CASE STUDY OF THE RENOVATED ANNE FRANK HOUSE"

Intussen heeft Schellen een database opgebouwd met jarenlange meetgegevens van allerlei kerken en musea in Europa. Hiermee kan hij samen met de onderzoekers uit zijn groep steeds betere modellen voor de gebouwen ontwikkelen. “Onze aanbevelingen worden hierdoor steeds nauwkeuriger”, aldus Schellen.

In het project Climate for Culture keek hij wat de invloed van klimaatverandering is op de klimaatsystemen, die steeds harder moeten werken om de omstandigheden constant te houden, terwijl het energieverbruik juist teruggeschroefd moet worden om gebouwen te verduurzamen. Schellen heeft bovendien samen met oud promovenda Zara Huijbregts, lange termijn weersvoorspellingen gekoppeld aan simulatiemodellen voor historische gebouwen. “Zo kan ik het binnenklimaat van musea en monumentale panden beter voorspellen, en bijvoorbeeld nu al aanbevelingen doen voor het klimaatsysteem van een museum in 2050”, aldus Schellen.