Die Ursprünge unserer Technologie

3D Analysen alter Steinwerkzeuge

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Seit unsere frühesten Vorfahren durch das Zerbrechen von Steinen scharfe Schneidekanten herstellten, ist unsere kulturelle Entwicklung eng mit Werkzeuggebrauch verbunden. Im Verlauf von 2,5 Millionen Jahren entwickelten die Menschen ihre technischen Strategien immer weiter, um damit ökologische und soziologische Herausforderungen zu bewältigen. 

In der Sahara bildeten sich vor etwa 8000 Jahren sehr mobile Hirtengruppen. Diese werkzeugnutzenden Hirten kamen um 3.000 v. Chr. in Südkenia an, wo sie umfangreiche Belege ihrer Technologien in Form von Steinwerkzeugen und Herstellungsabfällen hinterließen. Bisher wurden die Datensätze dieser Steinwerkzeuge nur selten für anthropologische Forschungen genutzt. Als Teil einer Doktorarbeit scannte man nun Steinwerkzeuge von zahlreichen Fundstellen in Südkenia für 3D Analysen, um die Handels- und Austauschnetzwerke zwischen diesen Viehhirten zu untersuchen.

Zielsetzung und Messobjekt

Ein wichtiger Schwerpunkt beim Studium von Steinwerkzeugen liegt auf der individuellen Flintenabschlagstechnik, dem kontrollierten Abtragen von Klingen. Die Form und Größe der Kernsteine und Klingen hängen von der Erfahrung des Bearbeiters sowie seinen verfügbaren Technologien ab. Die Morphologie von Steinwerkzeugen reflektiert ganze Lebensgeschichten, vom Brechen des Steins über Herstellung und Gebrauch bis zur Beseitigung. Im Studium der Werkzeugformen versuchen Archäologen, diese wichtigen Elemente aus prähistorischen Lebenswegen zu rekonstruieren, doch sind sie hier auf präzise, fehlerfreie Vermessungen angewiesen. 

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Die dreidimensionale Komplexität von Steinartefakten stellte die Forschungsarbeit lange Zeit vor Probleme. Metrische Einheiten wie Länge, Breite und Stärke variieren bei einem individuellen Stück, so dass Messschieber jeweils nur einen einzelnen Punkt wiedergeben. Viele Formaspekte lassen sich nicht direkt messen. Proxy-Methoden zum Schätzen von Krümmung und Verdrehung bei Steinwerkzeugen oder Bruchstücken sind unzuverlässig und weisen einen hohen Grad von Interobserver-Fehlern auf. Fehlende Transparenz selbst bei identischen Messungen von unterschiedlichen Wissenschaftlern erschwert nach wie vor das Entwickeln und Anwenden wiederholbarer Methoden. Dies ist höchst problematisch für Merkmale, die sich nur schwer messen lassen und die Archäologen entsprechend unterschiedlich verstehen, klassifizieren und aufnehmen.

Messsystem und Aufbau

Das Arbeiten mit 3D Scannern und Modellierungstechniken ist die vorteilhafteste Methode, um Steinwerkzeuge besser zu messen und zu beschreiben. Archäologen nutzen 3D Scansysteme bereits, um Keramiken oder Tierknochen digital zu kuratieren und in-situ Ausgrabungen zu dokumentieren. Die quantitative Analyse von 3D Modellen steht noch am Anfang; nur wenige Studien haben bisher anthropologische Antworten mit Messungen von Steinwerkzeugen gesucht. Trotzdem sind die bisherigen digitalen Analysen hochauflösender Modelle sehr vielversprechend.  

Das Digitalisieren der Steinwerkzeuge übernimmt der SmartScan mit Messfeldern von 60 mm und 125 mm, einer Kameraauflösung von 5 Megapixeln und einem manuellen Drehteller. Diese Konfiguration des Weißlichtscanners eignet sich besonders gut zur detaillierten Aufnahme von Artefakten mit einer Größe von 20 cm bis zu weniger als 5 cm.

Arbeitsablauf

Die meisten gescannten Werkzeuge sind aus Obsidian, einem stark glänzenden vulkanischen Glas. Untersuchungen mit Laserscannern berichten von sehr schlechten Daten bei Obsidianen, selbst bei unterschiedlichen Oberflächenvorbehandlungen. Mit sehr langer Belichtungszeit erfasst das Weißlicht des AICON SmartScan bereits viele Daten der unbehandelten Obsidianoberfläche. Eine dünne Schicht Mattierungspuder reicht aus, um die Belichtungszeit deutlich zu reduzieren und die erfasste Datenmenge zu erhöhen. Bei der Feldforschung in Kenia ersetzte Babypuder die professionelle Mattierung. Als schwierig erwiesen sich die scharfen Schnittkanten der Obsidianklingen — zum Teil nur wenige Nanometer dick und schärfer als Chirurgenstahl. Bei 40 % der Werkzeuge erfasst der Scanner einen Großteil oder die Gesamtheit der Kanten. Wichtiger ist aber, dass die Software AICON OptoCat alle Einzelaufnahmen der Obsidianwerkzeuge exakt verbindet, selbst wenn die sehr dünne und transparente Kante nicht vollständig erfasst ist. Die 3D Vermessungen der Werkzeuge benötigen keine lückenlosen Kanten, die sich aber zur Visualisierung den Lochfüllfunktionen von OptoCat leicht vervollständigen lassen.

Ergebnis

Insgesamt scannte man 366 archäologische Exemplare aus 12 Ausgrabungsstätten, die sich vom Großen Afrikanischen Grabenbruch bis zum Victoriasee erstrecken. Die Scangeschwindigkeit war außerordentlich hoch, vor allem im Vergleich zu Scanraten anderer Systeme. Die hohe Effizienz des AICON SmartScan ermöglichte das Zusammenstellen der größten digitalen archäologischen Sammlung für Afrika und eines der umfangreichsten Datensätze von Steinwerkzeugen in 3D weltweit. 

Die schnelle Datenerfassung geht nicht auf Kosten der Datenqualität. Die 3D Modelle sind äußerst detailliert und beinhalten wichtige technische Merkmale wie die beim Abschlag entstehenden „Riffel“ als Hinweise auf die Schlagrichtung. Selbst sehr kleine Kantenabnutzungen, Gebrauchsspuren und Beschädigungen sind sichtbar. Sehr schön zeigen die 3D Bilder die gezackten Kanten der abgestuften Brüche infolge von wiederholten Schlägen auf eine unbearbeitete Fläche. Diese Spuren sind kennzeichnend für ein geringeres Handwerksgeschick; die vielen Funde an der Elmenteitan Quarry Stätte könnten darauf hinweisen, dass dort Menschen die Werkzeugherstellung erlernten. Während sich die Intensität abgestufter Brüche nur schwer zeichnen oder beschreiben lässt, kann sie mit 3D Daten leicht dargestellt werden. Die hohe Qualität der Scans ermöglicht sogar, die Qualität des Rohmaterials zu bestimmen: Hochwertiger Obsidian hat eine glatte Oberfläche, während schlechtere Obsidiane rau und porös sind. In den 3D Daten bleiben diese Oberflächentexturen erhalten.

Die PLY-Dateien aus OptoCat lassen sich in verschiedene Programme für morphometrische Analysen importieren, um komplexe Maße wie Krümmungen, Windungen, Konvexität, Oberflächeneigenschaften oder die Tiefe verschiedener Abbrucharten zu messen. Dies bietet einen neuen innovativen Ansatz, um aus den weltweit am häufigsten gefundenen Bruchstücken ganze Reduktionssequenzen zu modellieren. Über statistische Analysen belegt die 3D Messtechnik, welche Sippen Steinwerkzeug austauschten, gleiche Arbeitstechniken nutzen oder soziale Kontakte pflegten. Diese neuen Analyseansätze sind nur durch hochpräzises Scannen und Modellieren in 3D möglich. 

Darüber hinaus bieten die 3D Modelle interessante Möglichkeiten zur Datenvisualisierung und -weitergabe sowie zur Lehre: Die dunklen, glänzenden Oberflächen der Obsidianwerkzeuge lassen sich nur sehr schwer fotografieren. OptoCat ermöglicht die Beleuchtungsanpassung an 3D Modellen für eine detaillierte, exportierbare Darstellung der Artefaktoberflächen. So werden hochauflösende Bilder eines kompletten Werkzeugs oder Vergrößerungen kleiner Merkmale publiziert, die andernfalls ein Mikroskop benötigen. 3D Modelle lassen sich für Vorträge und Konferenzen als 3D Objekte darstellen, um so komplexe technologische Merkmale verständlich zu machen. Auf einer sehr praktischen Ebene ziehen die realistischen Modelle verstärkte Zuschaueraufmerksamkeit auf sich. 

Darüber hinaus legen archäologische Disziplinen immer mehr Wert auf die gemeinsame Datennutzung. Weltweit nutzen Gelehrte die 3D Modelle aus den Daten des AICON SmartScan. Forscher sind damit unabhängig von Museumsbesuchen oder Wiederholungsmessungen – ihnen stehen 3D Sammlungen wie diese für unterschiedlichste Analysen zur Verfügung. 

AICON 3D Systems prämierte dieses hervorragende 3D Scanprojekt mit dem Bernd Breuckmann Award 2013.

 
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