Сохранение и изучение культурного наследия с помощью ядерной науки и технологий

Характеризация — это процесс, позволяющий экспертам с высокой точностью исследовать свойства археологических находок и предметов искусства, определяя их возраст, химический состав и происхождение. Процесс характеризации культурного наследия не опирается на единичный метод, а использует множество различных ядерных технологий, типов оборудования и видов излучения, включая рентгеновские лучи, гамма-лучи, нейтроны и ионные пучки.

Характеризация позволяет исследователям узнать, когда, где и как был создан тот или иной предмет. Она также предоставляет реставраторам важную информацию о том, как можно наиболее эффективно сохранить уникальные археологические артефакты. Кроме того, она позволяет специалистам определить, является ли предмет подлинным, а также установить, имеет ли он какое-либо отношение к незаконной торговле предметами искусства. Характеризация также может помочь выявить наличие внутренних дефектов, включая трещины, надломы и изъяны в артефакте, даже если они не видны невооруженным глазом.

В этой статье представлены наиболее распространенные ядерные методы, используемые для характеризации предметов культурного наследия.

Одним из методов, используемых для анализа элементного состава картин, рукописей, монет и керамики, является рентгенофлуоресцентный анализ (РФА). Будучи подвергнутыми воздействию рентгеновских лучей, химические элементы в образце начинают испускать излучение. Это излучение является уникальным для каждого элемента, что позволяет точно определить состав объекта.

В 2010 году с помощью РФА французскими учеными была проанализирована ?Мона Лиза? — шедевр XVI века, созданный итальянским художником Леонардо да Винчи. Исследователи изучили состав и толщину различных слоев краски и лессировки, что позволило им лучше понять применявшуюся да Винчи технику ?сфумато?, благодаря которой картина выглядит настолько реалистично.

Другие подходы, используемые для изучения химического состава и структуры материалов, включают дифракцию рентгеновских лучей (РД), нейтронно-активационный анализ (НАА) и различные методы использования ионных пучков. К ним относятся индуцированное протонами рентгеновское излучение (ИПРИ), индуцированное частицами гамма-излучение (PIGE) или масс-спектрометрия с использованием ускорителя (МСУ). Среди произведений искусства, элементный состав которых был проанализирован с помощью ядерных методов: древний портрет Святого Георгия из Албании; ?Сальера? — скульптурное произведение, созданное пять веков назад Бенвенуто Челлини, похищенное и позже найденное в лесах Австрии; артефакты из золота и драгоценных камней древнего Королевства Аюттхая, существовавшего на территории современного Таиланда в XIV–XVIII веках.

Для определения возраста предметов из органических материалов, например дерева, хлопка, бумаги, кожи, шерсти, шелка или кости, ученые могут использовать метод, называемый радиоуглеродным датированием. Все живые организмы, включая животных и растения, поглощают углерод. Когда организм умирает, углерод-14 — нестабильный изотоп углерода — распадается со скоростью, которую можно вычислить. Используя МСУ, специалисты измеряют соотношение углерода-14 в произведениях искусства из органических материалов, чтобы определить, сколько времени прошло с момента его создания. Этот метод позволяет определить возраст объектов культурного наследия вплоть до 50 000 лет.

В 2019 году с помощью радиоуглеродного датирования эксперты из Франции смогли доказать, что две известные картины, исполненные в стиле импрессионизма и пуантилизма, являются подделками. Они установили, что холсты были изготовлены после 1950-х годов, в то время как картины предположительно были созданы примерно в начале 20-го века.

Радиоуглеродное датирование также применялось для определения возраста бронзовой статуи Капитолийской волчицы в Италии; бронзовой статуи Апоксиомена, найденной в водах Адриатического моря у побережья Хорватии; и древней системы аквакультуры в стране народа гундиджмара в Австралии.

Для анализа внутренней структуры и целостности объектов культурного наследия ученые используют промышленную радиографию. Они пропускают рентгеновские лучи, гамма-лучи или нейтроны через объект, чтобы увидеть его внутреннюю структуру. Когда излучение попадает на пленку или специальную цифровую камеру, расположенную с другой стороны, оно создает изображение того, что скрыто от глаз, включая внутренние дефекты или трещины.

Более того, рентгеновские снимки картин часто помогают обнаружить более ранние картины художников, скрытые под краской. К примеру, рентгеновский анализ картины Пикассо ?Старый гитарист? — одной из самых известных работ ?голубого периода? художника — показал, что автор повторно использовал старый холст. Под краской находились два более ранних рисунка: пожилая женщина со склоненной головой и молодая мать с ребенком на коленях.

Среди похожих примеров — проведенный в Великобритании анализ картины Винсента Ван Гога ?Голова крестьянки?, в результате которого был обнаружен скрытый автопортрет художника.

Обеспечение долгосрочной сохранности уникальных исторических артефактов может быть сложной задачей. Неправильные условия хранения могут привести к появлению плесени, бактерий, насекомых и других вредителей внутри артефакта или на его поверхности, что может привести к порче или даже полному разрушению ценнейших объектов культурного наследия. Ионизирующее излучение может помочь в уничтожении таких вредителей.

Чтобы обеззаразить предметы, специалисты облучают их с помощью специального оборудования, такого как ускорители высокоэнергетических электронных пучков, рентгеновские аппараты или гамма-облучательные установки, содержащие радиоактивные источники на основе кобальта-60 или цезия-137. Как правило, для облучения артефакта при помощи гамма-облучательной установки, его сначала доставляют в специализированное помещение. Там он подвергается воздействию ионизирующего излучения, после чего артефакт выносят из помещения, дезинфицируют и обеззараживают.

Известным примером исторического артефакта, подвергшегося такой обработке, является 3200-летняя мумия египетского фараона Рамсеса II. В 1977 году во Франции она была продезинфицирована с помощью гамма-облучения для уничтожения насекомых и грибков. Среди других примеров — дезинфекция книги из библиотеки Дворца мира в Нидерландах; кинокассет из Национального киноархива Румынии; детеныша мамонта, найденного в вечной мерзлоте в Сибири; а также деревянных иконостасов в церкви святых воевод Михаила и Гавриила в Румынии.

Когда вещество подвергается облучению, под воздействием энергии его структура меняется на молекулярном уровне. Однако в зависимости от химического состава, типов присутствующих в материале химических соединений, продолжительности и интенсивности облучения, эффект воздействия радиации на различные материалы отличается. Правильно проведенная обработка наносит вред только вредителям и загрязнителям, не причиняя никакого вреда обрабатываемому объекту.

Реставраторы используют низкие дозы радиации, не более 10 килогреев (кГр), которые не наносят вреда объектам культурного наследия. После обработки они не становятся радиоактивными и не способны облучать окружающих. Объекты остаются такими же, какими они были раньше, не считая того, что они прошли дезинфекцию.

Обычно для дезинфекции объектов культурного наследия специалисты применяют химические и физические методы. Они основаны на использовании ядовитых веществ или термической обработки и поэтому могут быть вредны для самих предметов, здоровья реставраторов и окружающей среды. К тому же, оба подхода могут быть дорогостоящими. Кроме того, ни один из них не может гарантировать полного уничтожения вредителей, если насекомые или черви находятся достаточно глубоко.

В сравнении с традиционными методами использование облучения имеет ряд преимуществ: его можно применять при комнатной температуре без физического контакта с объектом или необходимости использования каких-либо дополнительных веществ. Также оно не оставляет следов и не наносит ущерба обрабатываемым материалам. Любые риски можно свести к минимуму, если проводить радиационную дезинфекцию в условиях строгой безопасности и в хорошо защищенном помещении.

Облучение можно использовать для восстановления химических связей в поврежденных предметах, что способствует укреплению и упрочнению артефактов. Этот метод основан на пропитывании предмета или материала жидкой смолой и последующего облучения. Использование этого метода позволяет сделать предмет прочнее и крепче. Кроме того, он практически не затрагивает внешний вид предмета, однако сам материал, его физические и химические свойства преобразуются.

Например, в 2011 году облучению был подвергнут деревянный древнеримский корабль I века, найденный в реке Рона в Арле, Франция. Во время просушки его древесина начала крошиться. Чтобы спасти древнюю реликвию, специалисты из ARC-Nucléart использовали метод консолидации: они пропитали древесину корабля полиэтиленгликолем и подвергли его воздействию ионизирующего излучения, чтобы упрочнить древесину и не дать кораблю рассыпаться.

• В рамках программы технического сотрудничества МАГАТЭ организует учебные курсы, технические совещания и научные командировки, а также предоставляет стипендии, способствуя укреплению потенциала стран в области использования ядерных методов для изучения и сохранения культурного наследия. Кроме того, МАГАТЭ помогает экспертам по всему миру, предоставляя необходимое оборудование и средства для проведения исследований и использования ядерных технологий. Оно также оказывает поддержку исследователям и реставраторам, разрабатывая согласованные методологии и стандартизированные процессы.
• МАГАТЭ организует семинары, конференции и другие мероприятия, посвященные использованию ядерной науки и технологий для изучения и сохранения культурного наследия, способствуя обмену знаниями и опытом между экспертами.
• МАГАТЭ содействует публикации научных, исследовательских и общественных информационных материалов по сохранению культурного наследия. В публикации 2011 года ?Nuclear Techniques for Cultural Heritage Research? (?Ядерные методы для исследования культурного наследия?) описываются ядерные и смежные методы анализа, реставрации и сохранения исторических артефактов и предметов искусства. В книге 2017 года ?Uses of Ionizing Radiation for Tangible Cultural Heritage Conservation? (?Применение ионизирующего излучения для сохранения материальных объектов культурного наследия?) содержится информация о дезинфекции и консолидации, а также представлены примеры облучения объектов в таких странах, как Бразилия, Румыния, Тунис, Франция и Хорватия.
• МАГАТЭ учреждает центры сотрудничества в области культурного наследия. В настоящее время таких центров четыре: Университет Париж-Сакле и ARC-Nucléart во Франции, Национальный центр радиационных исследований и технологий в Египте и Австралийская организация по ядерной науке и технике (ANSTO) в Австралии.
• МАГАТЭ предоставляет доступ к различным учебным курсам и онлайн-обучению по применению ядерных методов. К ним относятся радиоуглеродное датирование, применяемое в криминалистике, а также для сохранения культурного наследия; рентгеновская спектрометрия для определения характеристик археологических и художественных объектов; а также промышленное облучение.