Computertomographie - Eine Zerstörungsfreie Methode zur Untersuchung archäologischer Hölzer

Ein Interview mit Prof. Dr. Philipp Schütz

In unserer Reihe "High-Tech für die Steinzeit – Zerstörungsfreie Untersuchungen an steinzeitlichen Radfunden"haben wir im Juni 2022 Expert:innen interviewt, die die archäologischen Artefakte aus ihrem fachlichen Blickwinkel beleuchten.

Heute sprechen wir, das sind Christina Nitzsche und Ingrid Stelzner vom LEIZA, mit Philipp Schütz. Er ist Dozent an der Hochschule Luzern und Leiter einer Forschungsgruppe, die thermische Energiespeicher entwickelt. Mit uns hat er sich über die zerstörungsfreie Untersuchung mit der Computertomographie, kurz CT, unterhalten.  

Herr Schütz, sagen Sie uns: Wie war es für Sie auf einmal mit archäologischem Holz zu arbeiten?

Tatsächlich durfte ich Untersuchungen an Holz mit Röntgen-Computertomographie bereits früher durchführen: Konkret habe ich moderne Hölzer vermessen, um dort zum Beispiel die Eindringung von Farben in die Holzmatrix zu analysieren. Die Untersuchung von archäologischen Hölzern ist aber besonders spannend, da wir uns damit wertvolle Zeugen vergangene Zeiten ansehen können. Den mehrere hundert oder tausend Jahre alten Objekten Informationen zu entlocken, die bisher unbekannt waren, ist sehr faszinierend.

Die Computertomographie kennen wir normalerweise ja nur aus der Medizin, wenn zum Beispiel der Arzt Knochen auf Brüche und Frakturen untersucht. Kann man dieses medizinische Gerät auch für die Untersuchungen von Objekten verwenden?

Röntgen-CT basierend auf einer Sequenz von Röntgenaufnahmen, wie Sie dies vom Arzt oder der Ärztin kennen. Dabei wird für jede Aufnahme das Objekt um einen kleinen Winkel gedreht. Anschließend verwendet man ein mathematisches Verfahren, das Rekonstruktion genannt wird, um aus den einzelnen Röntgenbildern virtuelle Schnittbilder durch das Objekt zu berechnen. Virtuell werden diese Schnittbilder genannt, da das Objekt ja nicht verändert oder aufgeschnitten wird und damit nur im Computer, also virtuell, ein Schnitt bestimmt wird. Beim medizinischen CT funktioniert dies fast gleich. Einzig dreht sich beim medizinischen CT nicht die Person, sondern Detektor und Quelle um die Person.

Was unterscheidet Ihren industriellen Computertomographen von den medizinischen Computertomographen?

In den letzten 30 Jahren wurden mehrfach auch medizinische Geräte verwendet, um archäologische Objekte zu untersuchen. Insbesondere für lange Objekte wie Baumstämme sind die medizinischen Geräte ausgezeichnet. Da die Geräte für die Untersuchung an Menschen optimiert sind, wurden die Geräte so gebaut, dass diese sehr schnell messen können. Daher haben die Bilder eine oft geringere Auslösung und die Graustufenunterschiede sind zu grob, um die feinen Unterschiede zwischen den einzelnen Teilen des Holzes darzustellen. Ein industrielles CT kann deutlich länger Messen, was sowohl eine höhere Auflösung als auch eine feinere Auflösung der Graustufenunterschiede ermöglicht. 

Warum ist die Methode geeignet für Holzuntersuchungen?

Computertomographie ermöglicht es zerstörungsfrei in Objekte reinzusehen. Daher können wertvolle Holzfunde auch im Innern untersucht werden, ohne diese zu verändern oder gar zu zerstören. Anders als Verfahren mit sichtbarem Licht unterscheidet die Computertomographie vor allem Materialien mit unterschiedlicher Dichte. Daher können nicht nur Innenansichten gewonnen werden, sondern es können auch die innere Zusammensetzung der Probe und Einschlüsse von Fremdmaterialien untersucht werden, die optischen Verfahren wie dem Mikroskop verborgen bleiben. Schließlich können die oft kleinen Holzobjekte mit sehr hoher räumlicher Auflösung gemessen und damit selbst kleinste Details gut abgebildet werden.

Muss man bei der Untersuchung der Räder etwas beachten?

Räder, insbesondere archäologische, zeichnen drei Besonderheiten aus, die eine Messung anspruchsvoll gestalten: Erstens sind die Räder Einzelstücke und daher äußerst wertvoll. Somit müssen wir beim Fixieren der Räder im Instrument sehr behutsam vorgehen. Zweitens sind die Räder und deren Teile sehr gross und sperrig. Daher müssen wir beim Einrichten der Messungen behutsam vorgehen, um nicht bei Drehen des Objektes in der Maschine nicht einen Teil des Rades mit der Maschine kollidieren zu lassen. Drittens haben die Räder ein ungünstiges Seitenverhältnis. Für CT sind zylinderförmige Objekte, die in jeder Richtung ähnlich dick sind, optimal. Je grösser die Variation von dünnen Stellen (wir durchleuchten das Rad von der Seite) oder dicken Stellen (wir röntgen durch das ganze Rad) ist, desto mehr Artefakte treten auf. Diese Herausforderungen machen es aber gerade so spannend diese Objekte zu untersuchen.

Gibt es auch Nachteile bei der Untersuchung, die das Material schädigen?

Computertomographie gilt als zerstörungsfreie Prüfmethode. Trotzdem ist Röntgenstrahlung ionisierend, d.h. es können vereinzelt Elektronen aus dem Material herausgeschlagen und damit mikroskopische Defekte eingebaut werden.

Ist das denn ein Problem?

Für gewöhnliche, auch hochauflösende Messungen von Holz ist nicht bekannt, dass dies ein Problem ist. Bei sehr langen Messungen an Elektronikbauteilen kann man jedoch geringfügige Veränderungen erkennen (meist sind es jedoch nur harmlose Verfärbungen). Allerdings ist zu bedenken, dass die Alternative das Aufschneiden des Systems ist und daher die kleinen Verfärbungen zu vernachlässigen sind. Daher wägen die Vorteile die kleinen Nachteile deutlich auf.

Herr Schütz, haben Sie vielen Dank für die Einblicke in ihre Untersuchungen!

Das Interview führten Dr. Ingrid Stelzner und Christina Nitzsche vom Leibniz-Zentrum für Archäologie (LEIZA) - vormals RGZM.