Licht und Lichtschutz im Museum

Einführung: Licht und das menschliche Auge Lichtschäden und zulässige Beleuchtungsstärke Beispiele für Lichtschäden Lichtquellen Beleuchtung im Museum Lichtschutz Lichtmessung Reflexion und Entspiegelung Lichttechnische Begriffe und Einheiten Bibliographie und Links

Der Leopardenfrosch links wurde im Dunkeln aufbewahrt, der mittlere von einem UV-Filter geschützt. Der rechte Frosch ist stark ausgeblichen, abgesehen vom Bauchbereich, der durch eine Alu-Manschette geschützt war. Aus: http://nature.ca

Lichtschäden

Schädigungsprozess

Lichtempfindlichkeit verschiedener Materialien

Welche Lichtmenge ist den Kunstwerken zuzumuten?

Beispiele

Die Energie und damit Schädlichkeit der Lichtstrahlen nimmt mit steigender Wellenlänge ab (UV>Blau>Grün>Gelb>Rot). Damit Lichtstrahlen ihre schädigende Wirkung entfalten können, müssen sie vom Material absorbiert werden. Es leuchtet daher ein, dass unter den organischen Farbstoffen die blauen (reflektieren das gefährliche, energiereiche Blaulicht) tendenziell eher stabiler sind als die roten oder gelben. Letztendlich entscheidend für die Stabilität ist natürlich die chemische Struktur - es gibt auch sehr instabile Blautöne (z.B. Blaumaßstab, s.u.). Dennoch wird bei ausgeblichenen Tapisserien häufig Blau zur dominierenden Farbe (der Schauseite), auch bei Plakaten im Freien ist dies häufig zu beobachten. Bei dieser Tapisserie sind bis auf Blau und Rot alle Farben praktisch völlig verblichen, das Gewebe hängt teilweise in Fetzen. Ein Blick auf die Rückseite solcher Tapisserien vermittelt oft einen Eindruck der ursprünglichen Farbigkeit. Aus: www.tapestryrestoration.co.uk

Um relativ lichtstabile Farbmaterialien zu schädigen, bedarf es energiereicherer Strahlung, wofür hauptsächlich der kurzwellige UV-Bereich in Frage kommt. Lichtempfindlichere Materialien werden auch schon vom sichtbaren Licht geschädigt. Die relative spektrale Empfindlichkeit gegenüber den verschiedenen Wellenlängen ist bei jedem Material verschieden. So ist z.B. Zeitungspapier hauptsächlich empfindlich gegenüber UV-Strahlung und relativ unempfindlich oberhalb 550 nm, während Textilfarbstoffe häufig vom gesamten sichtbaren Spektrum angegriffen werden. Bei besonders sensiblen Farbstoffen nutzen UV-Filter daher vergleichsweise weit weniger als bei farbstabileren Materialien.

Die Energie der Lichtstrahlung wird von den Molekülen des Kunstwerks absorbiert oder reflektiert. Die Absorption der Lichtenergie kann neben unterschiedlichen chemischen Reaktionen, die ohne Ausnahme zu Materialschädigungen führen, auch harmlosere Effekte wie Erwärmung und Fluoreszenz hervorrufen. Der Zerstörungsprozess wird allgemein "Photochemische Zersetzung" genannt. Jedes Molekül des Kunstwerks benötigt eine bestimmte Mindestenergie, damit eine Reaktion mit anderen Molekülen stattfinden kann (Aktivierungsenergie). 

Diese Aktivierungsenergie ist für jede Art von Molekül unterschiedlich. Sobald die zugeführte Energie die Aktivierungsenergie eines bestimmten Moleküls erreicht oder übersteigt, kann es zur direkten Spaltung (Photolyse) der Molekülbindung kommen (Patkus). Häufiger geschieht der Zerfall unter Beteiligung von Fremdmolekülen wie Sauerstoff, Wasserdampf oder Schadstoffen (Photooxidation). Auch Oberflächenverschmutzung kann diese Prozesse katalysieren (Koesling 2001).

Die notwendige Aktivierungsenergie zur direkten Spaltung von Bindungen kleinerer Moleküle ist weitgehend bekannt. Hier nur einige Beispiele. Sie gelten strikt nur für die betreffenden Moleküle, sie geben jedoch eine gute Orientierung, um die Stabilität entsprechender Bindungen bei größeren Molekülen abzuschätzen.

Die Lichtquanten besitzen zum Vergleich folgende Energie in kJ/Mol:

Rotlicht	150 kj/mol
UV-A	300 - 400 kj/mol

Auch innerhalb des UV-A Bereichs unterscheidet sich die Strahlung deutlich bezüglich ihrer Gefährlichkeit:

UV Licht 300 nm mit seiner Energie von 400 kj/mol kann viele Bindungen direkt spalten. Aus diesem Grund richten kurzwellige UV-Strahlen so unvergleichlich mehr Schaden an als Rotlicht. Viele Materialien (Kunststoffe wie PE...) sind relativ stabil gegenüber sichtbarem Licht, verspröden jedoch unter UV-Bestrahlung.

Die Energie der Photonen steht in direktem Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts (siehe Graphik 2.1 www.intl-light.com). Energiequanten bis 125 kj/mol sind hauptsächlich Wärmequanten, darüber hauptsächlich Lichtquanten. Um Wärmequanten in der Größenordnung von UV-A Photonen zu erhalten, müsste man das Exponat auf 200°C aufheizen.

Nur Strahlung, die absorbiert wird, kann auch photochemisch wirksam werden. Ein Molekül muss aber nicht unbedingt selbst eine Adsorptionsbande bei einer bestimmten Wellenlänge besitzen, um durch Licht eben dieser Wellenlänge angegriffen zu werden. Vielmehr kann auch ein nicht unmittelbar an der Reaktion beteiligter Sensibilisator die Strahlungsaufnahme bewirken und die aufgenommene Energie in einem zweiten Schritt auf den reagierenden Partner übertragen. Solche Überträger können Fremdstoffe wie z.B. Verunreinigungen sein. Besonders bei sehr großen Molekülen (wie den Polymeren) sind es oft Kettenenden, die z.B. durch Luftsauerstoff oxidiert worden sind. Bei Zellulose werden z.B. auch Veränderungen von Wellenlängen bis 460 nm hervorgerufen, obwohl die Absorption in diesem Bereich vernachlässigbar gering ist. Ausgehend von den Kettenenden können dann weitere Reaktionen starten, die letztendlich zum Abbau des gesamten Kettenmoleküls führen (aus Koesling 2001, S. 22). Die Schädigung der Zellulose in diesem Randbereich ist allerdings gering im Vergleich zum Zentrum des Absorptionsspektrums.

Oft findet die Zerstörung in mehreren Schritten statt, bei denen auch Temperaturquanten eine Rolle spielen können. Die Reaktionen sind sehr vielfältig, ähneln sich jedoch meist in den drei ersten Schritten: 

1. Ein Photon versetzt ein Molekülende in einen angeregten Zustand
2. Es bildet sich ein freies Radikal
3. Aus Radikal und Luftsauerstoff entsteht ein Peroxyd 

Aus Reaktionen dieser Peroxyde können sowohl die häufig gefärbten Aldehyde und Ketone (Vergilben), Säuren oder andere Zerfallsprodukte entstehen. Das Entstehen von Säuren äußert sich in einer Erniedrigung des pH-Werts. Beim künstlichen Bleichen durch Licht (gebleichtes Bienenwachs) werden farbige Aldehyde und Ketone in farblose Säuren umgewandelt. Auf diese Weise können Vergilbungen bei Elfenbein oder manchen Gemäldefirnissen, die unter Lichtabschluss durch andere Prozesse entstanden sind, durch Licht scheinbar "rückgängig" gemacht werden. Bleichen mit Licht ist stets eine Materialzerstörung. 

Bei höherer Luftfeuchtigkeit finden die Bleichreaktionen schneller statt als in trockenem Klima

Obwohl die Lichtquanten des sichtbaren Lichts in den meisten Fällen nicht stark genug sind, um die chemischen Bindungen direkt zu spalten, sind sie somit dennoch in der Lage, die Moleküle  auf indirektem Wege zu zerstören - durch Radikalreaktionen oder mittels Katalyse durch Oberflächenschmutz oder Unreinheiten.. Es lässt sich daher nicht sagen, ein bestimmtes Molekül werde erst ab einer bestimmten Wellenlänge angegriffen. Licht ist oft nur der Initiator einer Kette von Folgereaktionen, bei denen Faktoren wie Luftfeuchtigkeit, Schadgase und Temperatur eine Rolle spielen.

Lichtschäden sind kumulativ. 1 Stunde bei 1000 lx wirkt gleich wie 1000 Stunden bei 1 lx (gleiche Lichtzusammensetzung vorausgesetzt). Ein Verbot von Blitzlampen, die nur sehr kurz eine starke Lichtintensität aussenden, ist daher konservatorisch kaum zu begründen. Ein Argument für ein solches Verbot wäre eher in der Belästigung anderer Museumsbesucher durch Blendung zu sehen.

Eine verantwortungsvolle Lichtschutzpolitik zielt daher mehr auf die Verringerung der Gesamt-Lichtbelastung (in Kiloluxstunden) als auf die Durchsetzung einer strikten maximalen Beleuchtungsstärke. So kann ein Abdunkeln der Ausstellungsräume außerhalb der Öffnungszeiten die Gesamt-Lichtbelastung stark verringern. Manche Museen legen  für lichtempfindliche Exponate eine zulässige Gesamtzahl von Kiloluxstunden fest, die bei der Ausstellung nicht überschritten werden darf. 

Die Farbverschiebungen lassen sich objektiv messen und mit x-y-Werten graphisch darstellen 

Zur Messung der Gesamt-Lichtbelastung können Licht-Datenlogger, LightCheck-Streifen oder Blaumaßstäbe eingesetzt werden.

Schäden durch IR-Strahlung

Die Schadenswirkung von IR-Stahlung beruht im wesentlichen auf einer Erwärmung der Exponats bzw. seiner Oberfläche. Hiermit einher geht eine Beschleunigung der chemischen Alterung. Als Faustregel kann bei organischem Material bei einer Temperaturerhöhung um 10°C mit einer doppelt so schnellen Alterung gerechnet werden. Einige Materialien sind durch die Temperaturerhöhung direkt gefährdet, so z.B. Wachs, aber auch Mineralien mit Gaseinschlüssen wie Bergkristall, die bei starker Beleuchtung (z.B. Filmaufnahmen) aufgrund des Gasdrucks explodieren können. Thermoplastische  Kunststoffe werden bei Überschreiten ihrer Glastemperatur (die oft im Bereich 20 - 30 °C liegt) zunehmend flüssig und binden Staub in ihre Oberfläche ein. 

Wie stark die Temperatur ansteigt, ist neben Dauer und Intensität der Bestrahlung) ist abhängig

• vom Absorptionsgrad der Oberfläche, insbesondere im Bereich langwelliger Strahlung. Dunkle Oberflächen absorbieren mehr Wärme als weiße oder metallisch glänzende Oberflächen.
• von der Temperaturleitzahl des Materials, d.h. wie schnell sich eine Temperaturänderung von der Oberfläche in das Innere fortpflanzt. Bei gut isolierenden Materialien wie Holz oder Papier kommt es zu einer stärkeren oberflächlichen Temperaturerhöhung.
• von der Materialdicke bzw. dem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Bei kleiner Oberfläche wird weniger Wärme durch Konvektion abgeleitet und steigt die Temperatur stärker.

Beleuchtungsbedingte Trockenschäden (Risse an Holz etc...) treten normalerweise nur bei direktem Sonnenlicht oder bei Beleuchtung mit leistungsstarken Strahlern auf: Bei zehnminütigen Filmaufnahmen, die mit 6000 lx durchgeführt werden, erwärmt sich ein Holztafelbild um 14°C und wölbt sich. Direktes Sonnenlicht sollte daher auf jeden Fall vermieden werden, bei Filmaufnahmen sollte mit kleinem Einstelllicht, IR-Filtern und in Intervallen gearbeitet werden. 

Objekte hinter Glas besonders gefährdet. Aufgrund es Treibhauseffekts (s.o.) ist die Temperaturerhöhung besonders stark. Sonnenlicht auf verglaste Graphiken kann zu Schwitzwasserbildung am Glas und braune Wasserrändern auf der Graphik führen.

An erwärmten Oberflächen steigt durch Wärmekonvektion ein Luftstrom empor, wodurch vermehrt Staub und Schadstoffe auf die Oberfläche gelangen. Die Abbildung rechts zeigt eine durch Scheinwerfer angestrahlte Statuette (Heilige im Stil des 13. Jh. Eichenholz, 28 cm) in einer schlierenoptischen Versuchsanordnung zwei Minuten nach Einschalten des Scheinwerfers. Die aufsteigende Warmluft markiert sich als schwarzer Schleier.

aus: Hilbert 1996

Temperaturstrahler (Glühlampe> Halogenlampe> Sonnenlicht) emittierten mit sinkender Farbtemperatur einen besonders hohen IR-Anteil, während Leuchtstofflampen ebenso wie bedeckter Himmel eher IR-arm sind. Die IR-Belastung lässt sich durch Kaltlichtreflektoren oder IR-Filter vermindern. Am geringsten ist die Wärmebelastung bei Glasfaserlicht (vgl. Hilbert 1996 S. 114)

Lichtsensibilität verschiedener Materialien

Pigmente:

Die Lichtstabilität von Pigmenten ist sehr unterschiedlich. Hersteller von Künstlerfarben vermerken die Lichtechtheit meist auf den Farbtuben. Eine Liste gibt Thomson 1994, S. 11:

Die Lichtsensibilität der einzelnen Pigmente hängt ein wenig vom Bindemittel ab. So zeigt sich Smalte in Öl instabil, in Wasserfarben jedoch sehr stabil. Indigo ist in Malfarben mäßig haltbar, auf Wolle jedoch sehr stabil. Eine weit größere Rolle spielt jedoch die Schichtdicke: in dünner Lasur aufgebrachte Pigmente, besitzen eine bis zu fünffach höhere Lichtsensibilität als Volltonfarben (Michalski 1990). Auch aus diesem Grund müssen Aquarelle als besonders lichtempfindlich eingestuft werden. Noch empfindlicher sind organische pflanzliche oder tierische Farbstoffe, was durch ihren chemischen Aufbau und den zumeist dünnen Auftrag (dem Aquarell vergleichbar) bedingt ist.

Der linke Rand dieses Aquarells war durch den Rahmen vom Licht abgeschirmt. Deutlich zeigt sich das Ausbleichen der Pigmente und die Vergilbung des Papierträgers durch Lichteinfluss. Aus Thomson 1994

Ein Gradmesser für die Lichtsensibilität eines Materials ist die wirksame Schwellenbelastung, d.h. ab welcher Lichtbelastung eine erste sichtbare Farbveränderung eintritt. Die Schwellenbelastung liegt vor allem am Anfang der Bestrahlung sehr niedrig - bei vorgealterten Exponaten ist sie weit höher. Aus diesem Grund wird z.B. Buchmalerei als sehr lichtsensibel eingestuft - bei verblichenen Gobelins ist die Schwellenbelastung kommt es erst nach sehr viel stärkerer Bestrahlung zu einer weiteren Farbveränderung. Die Farbveränderung ist allerdings nur ein Teilaspekt der Lichtschäden, es verändert sich auch der pH-Wert und die Festigkeit. Die Materialien (Seide, Kunststoffe...) werden zunehmend sauer und brüchig, unter Umständen ohne erhebliche Farbveränderungen. Während Farbveränderungen durch Farbvergleich, Farbmessgeräte oder Densitometer (Potje 2001) möglich ist, lassen sich die Festigkeitswerte am Exponat schlecht messen. Aus diesem Grund wird als Maß der Lichtsensibilität meist die Farbveränderung herangezogen..  

Die Lichtechtheit wird jedoch meist nicht als Schwellenbelastung angegeben sondern als Lichtechtheitsklasse nach dem Blaumaßstab- acht blau gefärbten Textilstreifen mit unterschiedlicher Lichtechtheit. Es ist zu unterscheiden zwischen dem amerikanischen und dem deutschen System: 

Beim amerikanische Blaumaßstab (erhältlich hier: Blaumaßstab "Blue Scales" ) sind die 8 Textilstreifen auf einem Kärtchen übereinandergeklebt, wobei der folgende Streifen jeweils etwa dreimal  lichtstabiler ist als der vorhergehende. Zur Benutzung wird ein Teil des Kärtchens abgeklebt und nach der Belichtungsphase die Farbveränderung des belichteten Streifens mit dem unbelichteten verglichen

Das links mit Aluminiumfolie und rechts durch einen UV-Filter abgedeckte Kärtchen wurde 8 Monate hinter einem Südfenster aufgehängt. Unter kontrollierten Lichtbedingungen zeigt der Blue Wool Standard erst nach vielen Jahrzehnten ein ähnliches Ausbleichen.   aus: http://nature.ca/

Der deutsche Lichtechtheitsmaßstab ist als Heftchen loser Textilstreifen einer bestimmten Lichtechtheitsklasse erhältlich (Beuth Verlag). Die Stufen zwischen den einzelnen Lichtechtheitstypen sind unterschiedlich groß, sodass das amerikanische System für die Praxis besser geeignet ist.

Für sehr lichtempfindliche frühe Fotographien (Salzpapier, Albumenfotos..), die z.T. bereits nach 3 - 4 h bei 50 x Veränderungen zeigen, hat Lavedrine einen Rosamaßstab entwickelt mit noch feineren Abstufungen im lichtempfindlichen Bereich (Ryhl 1998)

Der Blaumaßstab ist ein Maß für die Lichtechtheit organischer Materialien und ein anschauliches Dosimeter zum Überzeugen von Museumschefs oder Ausstellungsmachern.

Lichtempfindlichkeitskategorien

Die Lichtechtheitsklassen lassen sich in gewissen Grenzen mit der Bestrahlungsdosis korrelieren. Sehr anschaulich ist der Rechenschieber des CCI (leider nicht mehr erhältlich, siehe Bild unten): Ausgehend von einer jährlichen Beleuchtungsdauer von 3000 h multiplizieren sich die Anzahl der Jahre (oberste Zeile) mit der Beleuchtungsstärke in Lux (oberste blaue Zeile) zu einer bestimmten Anzahl Megaluxstunden (unterste Zeile). Die Punkte in der Zeile UV+ zeigen, welche Lichtechtheitsklassen bei dieser Bestrahlungsdosis ausbleichen. Zeile UV - zeigt das Resultat, wenn UV-Licht ausgefiltert wird. Der Rechenschieber gibt den notwendigen Abstand zwischen Exponat und Lichtquelle an und gestattet eine rasche Einschätzung  der Strahlungsbelastung während einer Ausstellung. 

Mittlerweile gibt es vom CCI das Ganze digital, den Light Damage Calculator unter der URL: https://app.pch.gc.ca/application/cdl-ldc/description-about.app?lang=en.

Welche Lichtmenge ist den Kunstwerken zuzumuten?

Maximale Beleuchtungsstärke

In vielen Publikationen und Museen hat es sich eingebürgert, ohne weitere Differenzierung für Papier und Textilien eine maximale Beleuchtungsstärke von 50 lx zu fordern, für Leinwandgemälde 150 lx. Der Vorteil dieser Regelung liegt darin, dass sie allgemeinverständlich und leicht zu überprüfen ist.

Wissenschaftlich gesehen ist diese strikte Regel aus mehreren Gründen anfechtbar:

• Zur Frage, welche Beleuchtungsstärke für optimales Sehen notwendig ist, ist oben das Notwendige gesagt. 50 lx sind die untere Grenze für optimales Sehen, für junge Leute, für helle Töne und bei guter Adaptation des Auges. Dunkle, feinteilige Exponate mit geringem Kontrast müssen für ältere Besucher stärker als 50 lx beleuchtet werden, um gut erkennbar zu sein.  
• Die 50 lx -Regel schert Kunstwerke höchst unterschiedlicher Lichtstabilität über einen Kamm. Wie aus den obiger Tabellen von Colby zu entnehmen, sind z.B. Drucke mit Kohle-Druckfarben auf Hadernpapier durchaus relativ lichtstabil.
• Sie berücksichtigt nicht die Strahlungsverteilung des Lichts. Der Luxmeter bewertet vor allem die Strahlung im Bereich Gelbgrün, wogegen das weit schädlichere Blaulicht kaum berücksichtigt wird. Nach Padfield ist, bei gleicher Luxzahl (!), Glühlampenlicht rund 50 mal weniger zerstörerisch als Himmelslicht (ohne direktes Sonnenlicht). Wissenschaftlich richtiger wäre, eine zulässige Menge Blaulicht festzulegen.
• UV-Licht wird nicht mitbewertet: Bei einem UV-Anteil von 75µW/lumen, wie er z.B. von Thomson als maximal tolerierbarer wert angegeben wird, ließen sich die Lichtschäden durch UV-Filterung noch auf die Hälfte reduzieren
• Sie berücksichtigt nicht die Bestrahlungsdauer. Halbe Bestrahlungsdauer, z.B. wenn das Museum außerhalb der Öffnungszeiten abgedunkelt ist, halbiert die Lichtschäden  

Viele Museen haben daher versucht, diese Kritikpunkte in ihrer Praxis und in den Forderungen an Leihnehmer Rechnung zu tragen

• durch Festlegung unterschiedlicher Höchstwerte je nach verwendeter Lichtquelle
• durch Beschränkung der maximalen Ausstellungsdauer oder 
• durch Forderung nach komplettem UV-Schutz und Abdunklung außerhalb der Öffnungszeit
• durch individuelle Eingruppierung der Kunstwerke in Lichtempfindlichkeits-Kategorien.

Das von Colby für Kunstwerke auf Papier entwickelte, sehr detaillierte Konzept verwirklicht die letzten drei Punkte und gestattet 42 h wöchentliche Beleuchtung mit 75 lx für Kategorie 1  und 100 lx für Kategorie 2 und 3:

Die Begrenzung der jährlichen Beleuchtungsdauer auch für die lichtstabilste Kategorie, mit erstem Ausbleichen nach 3500 Jahren mag etwas streng erscheinen. Auch spielt leider die Art der Lichtquelle keine Rolle. Colbys Konzept ist jedoch ein Versuch, die zulässige Beleuchtungsdosis etwas individueller und begründeter festzulegen  

Das Victoria & Albert-Museum wendet ein vereinfachtes System an, das nur auf 2 Kategorien basiert: empfindlich (ISO 1 - 4) und dauerhaft  (ISO 5-8), um  eine rasche Einordnung ohne Bestimmung der einzelnen Pigmente zu ermöglichen. 
Exponate der empfindlichen Kategorie dürfen dann 20% der Zeit bei 50 lux ausgestellt werden , d.h. alle 5 Jahre 1 Jahr oder alle 10 Jahre 2 Jahre. Für Exponate der dauerhaften Kategorie wird auch Dauerausstellung bei 200 lux ohne Rotation zugelassen. Berechnungsgrundlage dieser Politik ist eine "Lebensdauer" des Objekt von ca. 500 Jahren. Sie erfordert auch nur eine Rotation alle 2 Jahre, was sowohl die Belastung des Mitarbeiterstabs sowie Handlingschäden verringert (Alan Derbyshire, ConsDist, 29. 8. 2001)

Das Festlegen bestimmter Beleuchtungsbedingungen ist stets ein Abwägen verschiedener Faktoren und erfordert Kenntnis der Materialempfindlichkeit und Eigenschaften der Lichtquellen, muss jedoch auch die physiologischen Aspekte des Sehens berücksichtigen. Durch richtige Beleuchtung, Lichtschutzmaßnahmen, Geschick und Diplomatie gelingt es, die oft gegensätzlichen Interessen von Besuchern und Objekterhaltung zusammenzubringen.

   weiter     zurück    Bibliographie