3D-Scanning unter extremen Bedingungen in der afrikanischen Wüste: Erfolgsgeschichte einer Einsteigerin

24/11/2016

Eine Paläontologiestudentin mit rudimentären Kenntnissen in 3D-Scanning begab sich auf die Reise zu einer Ausgrabungsstätte in Kenia, um von weltbekannten Paläontologen gemachte Funde zu digitalisieren.

Das Turkana-See-Becken im Norden Kenias ist eine legendäre Region mit zahlreichen paläontologischen und archäologischen Fundstätten. Unter Leitung der Leakey-Familie und ihres Teams, das hier seit der Mitte des 20. Jahrhunderts arbeitet, wurden einige bahnbrechende Entdeckungen gemacht. Zu den bekanntesten Funden zählen Turkana Boy, ein fast vollständiges Skelett eines Homo erectus – ein zehn Jahre alter Junge, datiert auf etwa 1,5  bis 1,6 Jahre, sowie Homo habilis, ein urzeitlicher Vertreter der Menschen bzw. Homo, der vor zwei Millionen Jahren vermutlich schon Werkzeug benutzte. In der Tat waren es die Leakeys, die diesem Hominiden den mittlerweile weltweit verbreiteten Namen Homo habilis, oder „handy man“, verpassten.

Erstellung einer digitalen Replik von einem Fundstück mit dem Artec 3D-Scanner Space Spider

Nach jahrzehntelanger Arbeit am Turkana-See gründeten die Leakeys das Turkana Basin Institute (TBI), durch das neue Forschungen in der Region ermöglicht werden. Im Sommer 2014 erwarb TBI Artec Eva, einen präzisen 3D-Scanner für große Objekte, sowie Artec Spider, einen HD-3D-Scanner für kleine Objekte, und absolvierte ein Training mit Denis Baev von Artec. Seitdem 3D-digitalisiert das Team unter Leitung von Louise Leakey Fossilien aus der umfangreichen Sammlung von TBI.

Ein Gebäude von TBI

Ein Lagerraum bei TBI

Knochen aus der Sammlung von TBI

Louise Leakey mit ihren Kollegen

TBI lädt Forscher ein, die in den Ausgrabungsstätten und Laboren helfen, indem sie Knochen von urzeitlichen Tieren und Hominiden scannen. Einer dieser Forscher ist Natalya Prilepskaya, eine Absolventin der Paläontologie an der Moskauer Staatlichen Universität. Sie kam an den Turkana-See, um mit den Artec 3D-Scannern Eva und Space Spider Fossilien zu scannen.

Natalya Prilepskaya, links, mit Louise Leakey

Natalya war gern bereit, ihre Eindrücke mit uns zu teilen:

„Meine Aufgabe bei TBI bestand darin, paläontologische Proben mit dem neuen Artec Scanner Space Spider und mit Artec Eva zu scannen. Das Problem war, dass ich zuvor kaum Zeit hatte, 3D-Scanning zu lernen. Tatsächlich hatte ich nur einige Tage Theorie und Praxis hinter mir, als ich auf die Reise ging. Ich danke daher Olga Skvortsova, Denis Baev und Yaroslava Laptinskaya von Artec sowie meinem Ehemann Sergey Sukhovey für das unbezahlbare Wissen, das ich innerhalb kurzer Zeit erhielt.“

Bei TBI musste man das Beste aus meinen Fähigkeiten herausholen. Das war keine einfache Aufgabe, aber nichts ist unmöglich.

Natalya im Lagerraum für Fossilien bei TBI

Meine Lernpraxis sammelte ich größtenteils „im kalten Wasser“. 3D-Scanning ähnelt ein wenig dem Arbeiten an einer Töpferscheibe, was ganz schön war, da ich schon lange gerne Keramiken mache. Der Scanner sammelte nicht einfach Informationen zum Objekt – er „befasste und befühlte es“. Das Ergebnis war ein „lebensechtes“, wie mit Thon geformtes 3D-Abbild. 

Natalya benutzt Space Spider, um eine Probe zu scannen

Um aber tatsächlich ein 3D-Modell zu erhalten, musste ich zuerst lernen den Scanner so zu bedienen, dass dieser nicht das Objekt aus den Augen verlor. Dazu musste ich meinen Blick auf den Bildschirm und nicht das Objekt konzentrieren. Das Arbeiten auf diese Art und Weise war eine Umstellung für mich. Zu Beginn sprangen meine Augen immer mal wieder vom Bildschirm zum Objekt und zurück. Wenn ich das Objekt anschaute, machte meine Hand oft eine falsche Bewegung und der Scanning-Bereich verschwand aus dem grünen Feld [in Artec Studio]. 

Wichtig war auch die Scanning-Geschwindigkeit. Mit Space Spider sollte man langsam und geschmeidig vorgehen und dabei keine abrupten Bewegungen machen. Es ist etwas anders als bei einem schnellen Rundherum-Scan mit Eva. Für Scannings mit Space Spider wäre ein Drehtisch gut geeignet, allerdings gibt es bei TBI keine.

Außerdem muss man lernen aufzuhören, sobald der Scanner genug Daten gesammelt hat. Ich machte zuweilen unnötige Wiederholungen, indem ich mehrmals über die selbe Stelle ging. Am Ende wurde das Projekt zu groß und das Verarbeiten dauerte aufgrund der exzessiven Datenmenge zu lange.

An meinem ersten Arbeitstag bei TBI bekam ich meine erste paläontologische Probe zu scannen – einen Schdel eines Pavians, datiert auf etwa 1,8 Millionen Jahre. Ich schätzte mich glücklich, Seite an Seite mit den Institutsmitarbeitern Timothy Gichunge and Robert Ngechu arbeiten zu dürfen. Von ihnen lernte ich eine ganze Menge. Es war sehr praktisch, dass wir im selben Labor arbeiteten, da ich die Beiden oft um Rat fragte. Die Jungs waren immer sehr hilfsbereit.

Teamwork auf der Ausgrabungsstätte

Ich bat Timothy, mit mir eine Meisterklasse abzuhalten, damit ich sehen konnte, wie er scannt. Wie sich herausstellte, war das eine großartige Idee! So konnte ich nicht nur selbständig Scanning-Praxis sammeln, sondern auch einem Profi zugucken. Timothy bewegte Spider sehr geschmeidig, ohne eine einzige falsche Bewegung, um das Objekt herum – ausreichender Minimalismus. Und die Qualität seiner fertigen Projekte war einfach hervorragend. Ich wollte lernen, genau so gut zu scannen.

Timothy fand einfachen Ersatz für einen Drehtisch – er platzierte kleinere Objekte auf einer Klarsichthülle und drehte sie, in dem er an einer Ecke der Hülle zog. Aufgrund der Durchsichtigkeit des Materials war das eine tolle Lösung: Space Spider sah den transparenten Untergrund nicht und scannte ihn dementsprechend auch nicht. Das verringerte den Zeitaufwand für das Bereinigen des Modells von überflüssigen Daten und die Entfernung des Tisches.

Nutzung eines improvisierten Untergrunds zum Scannen einer Probe

Nach einigen Übungseinheiten begann ich mit der Verfeinerung meiner Fähigkeiten. Manchmal bat ich Timothy und Robert, mir beim Scannen zuzugucken und mich zu verbessern, wenn ich etwas falsch machte. Das erwies sich als sehr hilfreich.

Natalya beim Scannen einer Probe

Netterweise kam ich sogar dazu, Timothy einen Trick beizubringen, den mir mein Mann Sergey mal gezeigt hatte. Beim Scannen des kurvigen Geweihs einer Antilope, konnte Space Spider die Spitzen des Geweihs verfehlen, da diese sehr dünn sind und lediglich in der Luft „hängen“. Wenn Sie aber ein Stück Papier mit Beschriftung oder Bildern auf der Geweihspitze platzieren, nutzt der Scanner dieses als Ankerpunkt und verliert nicht die Orientierung. Beim Nachbearbeiten des Projekts wird das Stück Papier dann entfernt.

Antilopenschädel mit Geweih

Auch das Klima spielte beim Lernen eine Rolle. Vor Ort war es ziemlich heiß. Und obwohl der Raum, in dem ich scannte, luftig war, überhitzten die Laptops sehr häufig. Damit die Rechner seltener ausfielen, platzierten wir sie auf mit Eis gefüllten Behältern, und ersetzten diese immer, wenn das Eis geschmolzen war.

Ein brütend heißer Tag auf der Ausgrabungsstätte

Ein weiterer Faktor war der starke Wind. Er blies fortwährend und trug große Menge Staub und Sand, die jedes Loch und jeden Spalt in unserer Ausrüstung durchdrangen, heran.  Dr. Meave Leakey nutzt daher eine durchsichtige Schutzhülle für ihren Laptop.

Glücklicherweise gab es kaum Insekten, als ich arbeitete. Normalerweise sind zu dieser Jahreszeit Horden von Insekten in der Gegend. Sie werden in der Dunkelheit von dem grellen Licht angezogen und machen es unmöglich, am Abend noch zu arbeiten. Das Problem wurde mit spezieller Software, die die Farbe des Bildschirms verändert, gelöst. Für Mac zum Beispiel heißt das Programm Black Light.

Arbeiten im Dunkeln

Während ihres Aufenthalts bei TBI scannte Natalya insgesamt sieben Säugetierschädel, die die Gegend um den Turkana-See im Pleistozän und Holozän (vor 2,6 Millionen Jahren) bevölkerten. Die fertigen 3D-Modelle wurden im Bereich für 3D-Druck der Webseite AfricanFossils.org gepostet. Dort kann jeder Nutzer das jeweils benötigte Modell herunterladen und ausdrucken.

Der Nutzen einer Sammlung mit 3D-Modellen von Hominiden und Tieren ist gar nicht hoch genug einzuschätzen.

Zum einen erlaubt 3D-Scanning-Technologie Wissenschaftlern, die genauen Maße einer paläontologischen Probe zu ermitteln. Natürlich könnte man auch mit Lineal und Schieblehre arbeiten, nur sind dann die Messungen weder umfassend noch akkurat genug. Und bei Fotos und Zeichnungen ist das Problem, dass sie nicht immer die Form eines Objekts exakt abbilden.

Verschiedene Schädel mit Hörnern aus der Sammlung von TBI

Zweitens kann mit 3D-Scanning Information über die Form einer Probe gespeichert werden. Selbst solide wirkende Fossilien können zerfallen, besonders wenn Sie im Gelände Sonnenlicht, Wind, Regen und unsteten Temperaturen ausgesetzt sind. Und selbst wenn ein Objekt in einem Museum gelagert wird, kann es aufgrund von Feuchtigkeit, ungünstigen Temperaturen und anderen negativen Faktoren Schaden nehmen. 

Ein häufiger Negativfaktor für Fossilien ist die „Pyritseuche”, die dafür sorgt, dass das Fossil verfault und zerfällt. Die Seuche entsteht in sauerstoffreichen Umgebungen. Feuchtigkeit, Temperaturwechsel, Luftdruck und bakterielle Aktivität sind weitere Faktoren für ihr entstehen.

Präzises 3D-Scanning erlaubt es Ihnen, eine akkurate 3D-Abbildung eines Objekts in natürlichen Farben zu speichern. Das entstandene Modell enthält sämtliche notwendigen Informationen zu dem Objekt, eingeschlossen der Maße. Forscher können so mit dem Objekt arbeiten, ohne es anfassen zu müssen. 

Unter ungünstigen Bedingungen neigen Knochen zum Zerfallen

Drittens ermöglicht das Erstellen von 3D-Modellen weiteren Austausch von Informationen zu den Proben: Forscher haben meistens weder Zeit und Geld, um für das Betrachten einer Probe eigens zu einer Fundstelle oder einem Museum zu reisen. Nun können Labore können zusammenarbeiten und 3D-Daten zum Bau einzelner Arten ausgetauscht werden, was die Effizienz und Qualität solcher Zusammenarbeiten wesentlich erhöht.  

Bei TBI wurde als eine der jüngsten großen Spezies ein riesiger Elefantenschädel gescannt. Der Schädel sollte ausführlich untersucht, konnte allerdings nur sehr schwer bewegt oder umgedreht werden. „Die Spezies zu scannen und dann mit dem detaillierten Modell zu arbeiten war sehr spannend.“, sagt Louise Leakley. Die Probe wurde mit Artec Eva gescannt und mit der 3D-Software Artec Studio 11 nachbearbeitet, was die zur Erstellung eines akkuraten 3D-Modells benötigte Zeit auf ein Minimum reduziert.

Timothy beim Scannen eines riesigen versteinerten Elefantenschädels mit Artec Eva

3D-Scans des versteinerten Elefantenschädels, erfasst mit Artec Eva und Spider

Und darüberhinaus ist 3D-Scanning auch in der Bildung einsetzbar, beispielsweise als visuelles Hilfsmittel in Lehrräumen. 3D-Modelle können nicht nur auf einem Computer untersucht sondern auch mit einem 3D-Druck ausgedruckt werden, was zunehmend Verbreitung findet.

3D-Scanning schlägt ein neues Kapitel für die Paläontologie auf und gibt Wissenschaftlern ein starkes Werkzeug in die Hand, mit dem sie empfindliche, unbezahlbare Funde bewahren, noch mehr Forscherkreise als je zuvor in umfassende Untersuchungen miteinbeziehen können, und junge Generationen inspirieren können, sich auf die Suche nach Antworten auf grundlegende Fragen zu den Ursprüngen der Menschheit zu machen.

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