Лазерная очистка камня и реставрация памятников: параметры, риски и чем она отличается от промышленной

Что лазер снимает с камня

Камень в городе темнеет по понятной схеме. Мрамор, песчаник и известняк под действием загрязнённого воздуха и кислотных дождей теряют цвет, превращаются на поверхности в сульфат кальция, то есть гипс, затем верхние слои набухают и отслаиваются. Польские реставраторы, чьи данные есть в обзоре в журнале Sensors (Marczak и др., 2008), называют главным вопросом при очистке сохранение патины: тонкого естественного слоя, который нельзя убирать вместе с грязью.

С камня лазер снимает три группы загрязнений:

• Чёрные корки. Гипсовая корка со слоем сажи и пыли. В её составе при анализе спектров загрязнённого песчаника обнаружили линии свинца, а у чистого камня их нет. Для оператора это не мелочь, к безопасности вернёмся ниже.
• Биологические плёнки. Чёрные плёнки бактерий и грибов, которые вырабатывают кислоты и растворяют известняк. Египетская группа в 2025 году убирала плёнку Nocardia с известняка из гробницы Бастет, она проросла в камень на глубину от 0,98 до 1,66 мм.
• Ржавые потёки и наслоения. С ними лазер справляется хуже геля, об этом ниже.

Почему на камне работает «самоограничение»

Принцип в том, что слой грязи и сам камень по-разному поглощают излучение. Тёмная корка забирает энергию Nd на 1064 нм и отлетает, а светлый мрамор отражает большую часть и остаётся. Авторы обзора называют метод бесконтактным, локальным, избирательным и самоограничивающимся, но предупреждают, что самоограничение не отменяет порога, выше которого страдает основа. Плотность энергии для снятия слоя должна быть ниже порога повреждения камня, а такие пороги определены далеко не для всех материалов.

В опубликованных опытах реставраторы использовали Q-switched Nd с импульсом около 8 нс и частотой 10–20 Гц, оператор ведёт луч вручную, по сантиметру за раз. Параметры по публикациям собраны в таблице.

Цифры нельзя переносить на другой камень. Авторы обзора пишут, что готовых значений плотности энергии для разной корки и разных объектов составить невозможно, и формулируют правило так: каждый объект обрабатывают индивидуально, а отдельные участки одного объекта не обрабатывают одинаково.

Влажная очистка и желтение

Если поверхность камня перед импульсом смочить водой, скорость очистки растёт. В опыте на песчанике после смачивания интенсивность линий в спектре плазмы заметно падала: излучение глубже проникает во влажную корку, одна и та же энергия нагревает больший объём, температура ниже. Это ещё и защита: на известняке с биоплёнкой в сухом режиме на тех же параметрах появилось желтение, а во влажном его не было. Поэтому авторы работы по известняку сделали сухой участок короче, 250 импульсов вместо 500, чтобы избежать жёлтого оттенка.

На тонких материалах желтение связано с частотой. В опытах на бумаге при 50 импульсах и малых энергиях понижение частоты с 10 до 1 Гц уменьшало изменение цвета, а при плотности энергии 0,05 Дж/см² разницы цвета глазом не было вовсе (изменение по оси b* меньше 1). Для камня это значит, что остывание между импульсами важно.

Теперь о нагреве. Тепловизор показал, что поверхность песчаника сразу после импульса кратковременно нагревается примерно на 15 °C, а в итоге остаётся нагрев на несколько градусов. При частоте в единицы герц камень успевает остыть между импульсами. У промышленных очистителей частота измеряется килогерцами, и данных о нагреве камня при таких частотах в проверенных нами публикациях нет, поэтому здесь мы предполагаем худшее.

Чем промышленный очиститель отличается от реставрационного

Расчёт на цифрах показывает разницу. Типичный наносекундный источник 200 Вт с энергией импульса 1,5 мДж, как в работе по очистке алюминия (Zhang и др., Materials, 2022), в сфокусированном пятне 92,9 мкм даёт около 22 Дж/см². Для реставрационных режимов из таблицы это в 9 раз больше, чем 2,5 Дж/см² на песчанике, и в сотни раз больше, чем 0,03 Дж/см² на биоплёнке.

Режим можно ослабить, если расфокусировать луч, но три отличия остаются:

1. Частота. У реставрационных лазеров 10–20 Гц, у промышленных очистителей десятки-тысячи килогерц. Камень плохо проводит тепло, и непрерывный поток коротких импульсов нагревает его заметнее.
2. Контроль. Реставратор следит за цветом и по спектру плазмы (метод LIBS) видит, когда кончается корка. У ручного промышленного аппарата такого канала нет.
3. Ответственность. Ошибка на металле даёт брак детали, ошибка на памятнике необратима.

Это не значит, что промышленный аппарат бесполезен на камне. Ограда из гранита, кирпичная кладка, бетонный цоколь, чугунные детали на камне могут быть вполне рабочей задачей. Но для неё нужен пробный участок, и в проверенных нами публикациях данных по таким режимам нет. Мы их не приводим.

Как контролируют результат

На памятнике глаз реставратора проверяют приборами:

• Колориметрия. Измерение цвета в пространстве CIELAB: яркость L* и жёлто-синяя ось b*. Результат фиксируют до очистки, чтобы вернуться к нему при следующей реставрации через десятилетия.
• Спектр плазмы (LIBS). Меняется, когда лазер доходит до камня под коркой.
• Тепловизор и акустика. Следят за нагревом камня и за звуком импульса: он меняется с числом импульсов, пока корка уходит.
• Шероховатость. По разнице до и после судят, не повредил ли режим поверхность.

Общий вывод авторов обзора касается и мастерских: качество лазерной очистки зависит от знаний и навыка реставратора, а значит, это не операция, которую можно поручить любому оператору с аппаратом.

Лазер или гель

Лазер не единственный способ, и не всегда лучший. Для ржавых потёков на камне итальянские группы предлагали гидрогели. В одной работе (Gels, 2024) гидрогели на основе хитозана с карбоновыми кислотами наносили на гранит, травертин и мрамор, лучшим оказался гель с щавелевой кислотой, и один 24-часовой слой дал хорошее восстановление поверхности. Другая группа (Gels, 2024) вносила хелаторы в гели из поливинилового спирта, буры и агарозы, чтобы снимать продукты коррозии меди с травертина, камня из Лечче и каррарского мрамора, потому что водные растворы плохо держатся на вертикальных поверхностях.

Что нужно, чтобы работать с памятниками

В России порядок работ по сохранению объекта культурного наследия, включённого в реестр, устанавливает статья 45 закона № 73-ФЗ. Работы на таких объектах ведут по правилам, которые задаёт эта статья, и по согласованной с органом охраны документации. Частному владельцу надгробия, фасада или садовой скульптуры без охранного статуса требования мягче, но риск тот же: ошибка с режимом необратима. Мастерской, которая хочет заниматься камнем, разумнее сначала проверить задачу на образце из того же камня и только потом брать работу.