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Acqua: come ricavarla dall'aria.

Natura.pngGli esseri umani hanno bisogno di bere circa due litri d'acqua al giorno per rimanere vivi. Se non sono disponibili acque nel sottosuolo, è possibile condensare l'umidità dell'atmosfera per procurarsi l'indispensabile.


Nel 1993, Reginaid E. Newell (del MIT) scoprì 10 giganteschi "fiumi atmosferici" (cinque nell'emisfero nord e cinque in quello sud) con un flusso tipico di 165 milioni di chilogrammi di acqua al secondo. Questi fiumi di vapore sono delle bande larghe fino a 800 chilometri e lunghe fino a 8.000, a circa 3.000 metri sopra la superficie terrestre. Essi sono i principali mezzi di trasporto dell'acqua dall'equatore. Dovrebbe essere possibile raccogliere l'acqua da questi fiumi. Il problema dell'altezza non è insormontabile, specialmente se la costruzione viene realizzata in cima alle montagne. (1)

Il sistema per raccogliere l'umidità è un'antica tecnologia che è stata largamente ignorata nei tempi moderni. L'esempio più impressionante di questa scienza venne scoperto nel 1900-1903 durante gli scavi a Teodosia (una città bizantina risalente all'incirca al 500 a.C).
Gli archeologi trovarono numerose tubazioni, di circa otto centimetri di diametro, che portavano a pozzi e fontane della città. I tubi provenivano da una collina vicina e si scoprì che avevano origine da 13 cumuli di calcare, ognuno alto circa 13 metri e con una superficie di circa 30 metri quadrati. Questo sistema di "pozzi ad aria" produceva circa 53.000 litri d'acqua al giorno!


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Gli stagni di rugiada sono esistiti sin dai tempi preistoria, ma oggi la tecnologia è quasi dimenticata. Alcuni stagni di rugiada tuttora efficienti si possono ancora trovare sui rilievi più alti del brullo Sussex Downs e sulle colline di Mariborough e del Wiltshire. Nonostante siano lontani da ogni sorgente, ruscello o acquitrino, essi contengono sempre dell'acqua che si condensa dall'aria durante la notte.

Nel 1907 Arthur J. Hubbard descrisse uno stagno di rugiada nel suo libro Neolithic Dew Ponds and Cattleways: "C'è [in Inghilterra] almeno un gruppo di uomini erranti... Che potrà costruire per il moderno agricoltore uno stagno che, in ogni situazione adatta in un terreno sufficientemente asciutto, conterrà sempre dell'acqua. L'acqua non proviene da sorgenti o da piogge, e viene velocemente perduta se si lasda scorrere nello stagno anche il più piccolo rivolo.

"Il gruppo dei costruttori di stagni inizia le operazioni scavando il terreno per uno spazio di gran lunga in eccesso rispetto a quanto apparentemente necessario per lo stagno che si intende realizzare. In seguito essi ricoprono velocemente l'intero buco con uno strato di paglia secca. A sua volta la paglia viene ricoperta da uno strato di argilla accuratamente selezionata e impastata, e la superficie superiore dell'argilla viene poi cosparsa di pietre. Occorre prestare molta attenzione affinchè i bordi dello strato di paglia vengano protetti efficacemente dall'argilla. Alla fine lo stagno si riempirà d'acqua, tanto più rapidamente quanto più sarà esteso, anche se non dovesse piovere.

"Se una simile struttura è situata in cima a una collina erbosa, durante la calura di una giornata estiva il terreno avrà accumulato una considerevole quantità di calore, mentre lo stagno, protetto dal calore dallo strato non conduttivo di paglia, viene allo stesso tempo raffreddato dal processo di evaporazione dello strato d'argilla.

"Di conseguenza, durante la notte l'aria calda si condensa sulla superficie dell'argilla fredda. Dato che la condensazione durante la notte è maggiore dell'evaporazione durante il giorno, lo stagno, notte dopo notte, si riempie gradualmente. Teoricamente possiamo osservare che durante il giorno, essendo l'aria relativamente carica di umidità, l'evaporazione è necessariamente minore della precipitazione durante la notte. In pratica, si scopre che lo stagno fornirà costantemente un quantitativo di acqua purissima.

"Lo stagno cesserà di attrarre la rugiada se lo strato di paglia dovesse inumidirsi, dato che allora raggiungerà la stessa temperatura del terreno circostante e cesserà di essere un non-conduttore di calore. Questo succede praticamente sempre se si permette ad un rivolo d'acqua sorgiva di scorrere nello stagno, o se lo strato d'argilla (chiamata tecnicamente la 'crosta') viene perforato."

Ulteriori dettagli costruttivi venivano illustrati in ScientificAmerican del maggio 1934:
"Una caratteristica essenziale dello stagno di rugiada è il suo fondo impermeabile, che gli consente di trattenere tutta l'acqua che raccoglie, eccetto quella che viene perduta con l'evaporazione, bevuta dagli animali o utilizzata dall'uomo. I modi di costruzione variano in alcuni dettagli. Il fondo consiste solitamente in uno strato spalmato di gesso o argilla, sul quale viene steso uno strato di pietrisco per prevenire la perforazione da parte degli zoccoli degli animali. Viene spesso aggiunto uno strato di paglia, sopra o sotto il gesso o l'argilla. Lo stagno può raggiungere un diametro variabile da 10 a 23 metri, e la profondità non supera i 90 -120 centimetri." (2)

Un'altra forma di stagno di rugiada venne inventata da S. R Russell negli anni '20. Venne descritta in Popular Science del settembre 1922:

"Un serbatoio di rugiada di circa dieci metri quadrati raccoglierà 90.000 litri d'acqua all'anno, o una media di 450 litri giornalieri durante i caldi mesi estivi e 200 litri negli altri periodi dell'anno...

"Il serbatoio di Russell consiste in una cisterna in cemento profonda un metro e mezzo, con un tetto pendente in cemento, sopra il quale vi è un recinto protettivo in lamiera ondulata che aiuta a raccogliere e condensare il vapore sul tetto e previene l'evaporazione dovuta al vento. Il pavimento della cisterna è a livello del terreno, mentre cumuli di terra in pendenza attorno ai lati arrivano fino al tetto.

"L'umidità che sgocciola nel serbatoio dalla parte inferiore del tetto mantiene più bassa la temperatura di quest'ultimo rispetto a quella atmosferica, assicurando in tal modo una condensazione continua.

"Su un lato del serbatoio vi è un bacino in cemento a livello del terreno. Per mezzo di una valvola a galleggiante, questo bacino viene mantenuto costantemente pieno dall'acqua che arriva dal serbatoio." (3)



Pozzi ad aria.

Nel 1930, l'inventore belga Achille Knapen costruì un "pozzo ad aria" sulla cima di una collina alta circa 200 metri a Trans-en-Provence, in Francia. La sua costruzione gli richiese 18 mesi di lavoro e venne descritta dalla rivista Popular Mechanics:

"La torre... E' alta circa 15 metri, le pareti sono spesse dai due metri e mezzo ai tre metri per impedire che il calore radiante dal terreno influenzi la temperatura interna. Si stima che il pozzo ad aria possa produrre circa 30.000 litri d'acqua per 90 metri quadrati di superficie di condensazione." (4)


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Anche un articolo del marzo 1933 su Popular Science parlava del pozzo ad aria di Knapen, e sulla sua costruzione includeva i dettagli seguenti:

"[Il pozzo ad aria ha] un nucleo interno in cemento a forma di fungo, perforato da numerosi condotti per la circolazione dell'aria; e un camino centrale con l'apertura superiore al di sopra della cupola esterna.

"Durante la notte, l'aria fredda si riversa nel camino centrale e circola attraverso il nucleo... Alla mattina l'intera massa intema è raffreddata così completamente che potrà mantenere la sua bassa temperatura per buona parte del giorno, il pozzo ora è pronto a funzionare.

"L'aria esterna, calda e umida, non appena la temperatura del giorno si innalza, penetra nella camera centrale attraverso i condotti superiori nella parete esterna. Essa va immediatamente a colpire il nucleo freddo, che è costellato da file di tegole in ardesia che incrementano la superficie di raffreddamento. L'aria, raffreddata dal contatto, cede la sua umidità sopra le tegole. Raffreddandosi, diventa più pesante e scende, lasciando infine la camera attraverso i condotti inferiori. Nel frattempo, l'umidità sgocciola dalle tegole e cade in un bacino di raccolta sul fondo del pozzo." (5 e 6)

Sfortunatamente, comunque, la struttura non funzionò come previsto; al massimo raccoglieva circa 20 litri d'acqua per notte.

Knapen fu ispirato nel suo lavoro dal bioclimatologo Leon Chaptal, che costruì un piccolo pozzo ad aria vicino a Montpellier nel 1929. La struttura piramidale in cemento era di 3 metri quadrati per un'altezza di due metri e mezzo, con anelli di piccoli fori di ventilazione sulla cima e sul fondo. Il suo volume di otto metri cubi venne riempito con pezzi di calcare di 5-10 cm. che condensavano il vapore atmosferico e lo raccoglievano nel serbatoio. La produzione variava da uno a due litri e mezzo al giorno da marzo a settembre, nel 1930, la struttura raccolse circa 1.000 litri da aprile a settembre, ma soltanto metà di questa quantità nello stesso periodo del 1931. Il massimo fu di due litri e mezzo al giorno.

Chaptal scoprì che la superficie di condensazione dev'essere ruvida, e la tensione superficiale sufficientemente bassa in modo che l'acqua condensata possa gocciolare. L'aria in ingresso dev'essere umida. La bassa temperatura interna si ottiene dalla re-irradiazione durante la notte e dalla minore temperatura del terreno. Il flusso d'aria veniva controllato dalla chiusura o apertura dei fori di ventilazione come necessario.

Chaptal si ispirò ad un sorprendente esperimento di successo di Friedrick Ziebold, il quale costruì un condensatore atmosferico sulla cima di una collina a Feodosia (Teodosia) in Crimea, modellandolo come gli antichi pozzi ad aria scoperti nella zona nel 1900. Il condensatore di Ziebold era un cumulo di ciottoli marini (da 10 a 40 cm. di diametro), del diametro di 20 metri e di 11 metri e mezzo d'altezza. La costruzione produsse sino a 360 litri d'acqua al giorno fino al 1915, quando cominciò a deteriorarsi per una spaccatura nella parete.

Calice Courneya brevettò un pozzo ad aria nel 1982 (USPN.351.651):

"Uno scambiatore di calore alla o vicino alla temperatura superficiale... E' in comunicazione via aria con l'atmosfera per consentire all'aria atmosferica carica di umidità di entrare, passare attraverso, raffreddarsi, arrivare al punto di rugiada, consentire all'umidità di precipitare, e consentire all'aria di uscire nuovamente nell'atmosfera. é previsto un apposito apparato per restringere il flusso d'aria e consentirgli un tempo di permanenza sufficiente nello scambiatore di calore onde permettere una sufficiente precipitazione. Inoltre, si può provvedere al filtraggio dell'aria in entrata, e ad un sistema per creare un movimento di pressione [negativa], preferibilmente sotto forma di turbine, per l'aria in uscita...

"Il pozzo ad aria è sepolto a circa 3 metri di profondità. Il tubo di entrata del diametro di circa 7,5 cm. e della lunghezza di tre metri è in PVC, e termina proprio vicino al terreno...

Questo è un vantaggio perché la maggiore umidità nell'atmosfera è vicino alla superficie." (7 e 8)

In una configurazione ideale, la presa d'aria è fornita di un separatore ad adone per precipitare la polvere prima che l'aria entri nel condotto. Inoltre, un dispositivo di restrizione del flusso può essere installato prima dell'apertura d'uscita.

L'aria fluisce lungo i tubi a 600 metri cubi l'ora alla temperatura di 7°C con una velocità di 8 chilometri orari. Questo significa circa 14.600 metri cubi di aria al giorno (oltre 1.360 chilogrammi d'aria).

Il primo pozzo ad aria di Coumeya utilizzava una ventola a turbina per spingere l'aria attraverso le tubazioni. I progetti seguenti impiegavano una ventola elettrica per un maggior flusso d'aria. A 32°C e con P 80% di umidità relativa (RH), il pozzo ad aria fornisce circa 38 litri di acqua al giorno. Al 20% di umidità relativa la media è solo di un paio di litri al giorno. A temperature più basse questa media diminuisce ulteriormente.

E' difficile calcolare la quantità d'acqua che può essere prodotta. La media dipende dalla quantità d'aria e dalla sua umidità relativa e specifica, oltre alla temperatura del suolo, la sua conduttività termica e grado di umidità. La risonanza acustica all'interno dei tubi può aumentare la condensazione. La più recente invenzione di refrigerazione acustica può essere utilizzata con vantaggio, così come i tubi a vortice del tipo Hilsch-Ranque.

L'acqua prodotta dal pozzo ad aria Courney è relativamente pura, equivalente all'acqua distillata. L'analisi dell'acqua prodotta da un pozzo ad aria nelle vicinanze di una strada trafficata non ha mostrato tracce di zolfo o piombo (misurate in ppm).

Negli anni '50, l'inventore rumeno Henri Coanda mentre viveva in Francia ideò un raffinato sistema per produrre acqua pura dalle saline. Egli progettò un enorme silo con le parenti riflettenti, che venne montato diversi centimetri sopra una pozza di marea. Il silo era angolato in modo da raccogliere e amplificare la luce solare, surriscaldando così l'aria nel camino. L'aria calda in salita aspirava l'aria fredda dal fondo e diventava supersatura di umidità nel lasso di tempo in cui arrivava alla cima. A questo punto delle ventole spingevano l'aria attraverso un condensatore dal quale rifluiva acqua pura.

L'acqua salmastra residua è di grande valore per l'industria chimica e nella costruzione di stagni solari, il governo francese costrinse Coanda a sospendere le operazioni perché il suo dispositivo minacciava il loro monopolio sulla produzione del sale.

Coanda descrive il suo "Apparato per la Purificazione di Acqua Non Potabile" nel sommario del suo brevetto USPff2.803.591 in questo modo:

"Apparato per la purificazione di acqua non potabile comprendente, in combinazione, un'installazione per riscaldare una massa d'aria circolante, detta installazione comprendendo come minimo un elemento tubolare attraverso il quale detta aria circola e come minimo uno specchio semitrasparente di sezione parabolica avente l'asse focale disposto orizzontalmente, con il detto elemento tubolare disposto lungo l'asse focale di questo specchio, detto specchio con il suo elemento tubolare associato essendo montato sul piano di simmetria dello specchio stesso, e anche montato in modo da ruotare su un asse verticale..." (9 e 10)



Coanda ricevette anche il brevetto USP#2.761.292 per il suo "Dispositivo per Ricavare Acqua Potabile" (11). Egli lo spiegò nel modo che segue:

"Si sa che l'aria contiene acqua, e secondo la mia invenzione l'energia per far precipitare quest'acqua può essere presa dalla stessa aria in movimento. é risaputo che per una data temperatura un dato volume d'aria non può contenere più di una certa quantità di vapore acqueo. Quando contiene questa quantità si dice che ha raggiunto il suo punto di saturazione. Inoltre, questo punto varia con la temperatura, e più l'ari a è fredda, meno vapore acqueo può contenere per un determinato volume.

"Di conseguenza, quando un volume relativamente caldo di aria umida viene raffreddato ad una temperatura sufficientemente bassa, esso cede l'acqua che contiene in eccesso rispetto alla quantità permessa dal punto di saturazione alla temperatura alla quale è stato raffreddato.

"In un processo continuo di produzione d'acqua potabile, è necessario assorbire il calore derivato dall'aria calda umida ad una velocità corrispondente al tasso di raffreddamento...."

Coanda raccomandava che il condensatore fosse sepolto in modo che il terreno potesse assorbire il calore:

"Ad esempio, un metro cubo d'aria da una corrente la cui temperatura è di circa 40°C può contenere circa 50 grammi di vapore acqueo; se la corrente viene costretta ad entrare passando attraverso un determinato spazio...Un radiatore in cui il fluido circola alla temperatura esistente 7 o 8 metri al disotto del livello del terreno, cioè circa 11°C, questa corrente d'aria precipiterà immediatamente sulle pareti del radiatore quella porzione del contenuto d'acqua superiore a quello consentito dal suo punto di saturazione alla temperatura più fredda, cioè circa 40 grammi per metro cubo d'aria, dato che il punto di saturazione a 11°C è di 10 grammi per metro cubo. Il calore disperso, che dev'essere portato via dal fluido nel radiatore, rappresenta approssimativamente 32 calorie per il detto metro cubo d'aria...

"E' consigliabile far passare il fluido attraverso un secondo radiatore di dimensioni maggiori, disposto ad una certa profondità nel terreno.

"Se l'umidità dell'aria calda è decisamente inferiore ai 50 grammi per metro cubo, cioè se l'aria è lontana dal suo limite di saturazione, e se il dispositivo per ottenere acqua potabile è posizionato vicino al mare, è possibile usare [mulini a vento] per spruzzare acqua di mare nell'aria calda in sottili goccioline, incrementando in tal modo la quantità d'acqua contenuta nell'aria calda attraverso la parziale evaporazione dell'acqua marina..."

Negli ultimi anni, sono stati costruiti altri condensatori di umidità. I cosmonauti sovietici a bordo della stazione spaziale Mir utilizzavano un sistema che recuperava acqua dall'aria. L'AcquaCycle, inventato da William Madison, venne introdotto nel 1992. Assomiglia ad una fontana potabile e funziona in un modo simile, ma non è connesso ad alcuna rete idrica. Esso contiene un deumidificatore refrigerato ed un triplo sistema di purificazione (a carboni, deionizzazione e luce ultravioletta) che produce acqua purissima, come se fosse stata distillata tre volte. In condizioni operative ottimali (27°C e 60% di umidità), il sistema può produrre fino a 20 litri al giorno.



Condensatori di nubi e recinzioni per nebbia.

Nel 1945, il capo meteorologo sudafricano Theodore Schumann propose la costruzione di un particolare Condensatore di Nubi sulla cima del Table Mountain a mille metri d'altezza a sud di Città del Capo. Il progetto di Schumann prevedeva due grandi recinzioni parallele di rete metallica, una isolata ed una messa a terra, che potevano essere caricate con un potenziale di 50-100 chilovolt. I recinti schermanti dovevano essere alti circa 50 metri, lunghi tre chilometri, e distanziati di 30 centimetri. Egli stimò che la barriera elettrificata poteva condensare circa 120 milioni di litri d'acqua al giorno da "Thè doth, una nuvola perpetua che sormonta la cima. La recinzione non fu mai costruita.

Alvin Marks inventò la Power Fence per produrre elettridtà dal vento per mezzo di un aerosol caricato che veniva disperso da fori microscopici nelle tubazioni della barriera. Mark calcolò che con una velocità media del vento di 40 chilometri all'ora, un chilometro e mezzo di barriera produrrebbe circa 40 megawatt di energia. Le torri dovrebbero essere alte più di 150 metri, realizzate con una griglia di barre d'acciaio disposte in forma rettangolare, suddivise in quadrati da 10 centimetri ulteriormente suddivisi in un reticolo di tubuli perforati attraverso i quali scorre l'acqua. Il brevetto di Marks sostiene che il sistema può essere utilizzato per modificare il clima o far sparire la nebbia."' (12)

Il Sistema di Dispersione della Nebbia della EGD, inventato da Meredith Gourdine, è stato utilizzato negli aeroporti intemazionali di Los Angeles e Ontario e dall'aviazione militare fin dal 1986. Il sistema utilizza una bruma caricata elettricamente che viene spruzzata nella nebbia sopra le piste, liberandole per gli atterraggi:

"[Il sistema comprende] una serie di nebulizzatori di gocce d'acqua submicrometriche caricate [e seleziona] le caratteristiche di una nuvola di goccioline caricate -compresa una potenza di campo- una concentrazione di carica, una costante di tempo, [ecc.] in modo che avvenga l'eliminazione delle particelle nell'aria... Tramite l'attaccamento al suolo insieme alle goccioline submicrometriche emesse verso di esse." (13 e 14)



Un sistema simile fu inventato da Hendricus Loos (USP#4.475.927):

"[Il sistema consiste di] una serie di getti d'aria distanziati, saturati da gocce caricate elettricamente di bassa mobilita', un sistema anti-corona a terra sotto forma di un basso bacino con acqua e olio, e un dispositivo a terra che emette gocce da raccolta caricate, predisposto in modo che le goccioline cariche di bassa mobilità, soffiate in quota dai getti d'aria, formino un elettrodo virtuale sospeso ad un'appropriata altezza sopra il suolo, verso il quale si dirigono le gocce da raccolta ad alta mobilità e con carica opposta, raccogliendo in questo modo le gocce neutrali di nebbia nel loro percorso..." (15)

Gli scienziati cileni hanno sviluppato una rivoluzionaria Trappola per Nebbia a Chungungo, in Cile. Un gruppo di 50 trappole per nebbia, costruite in rete plasticata, si trovano a circa 850 metri sulla cima di un monte, e raccolgono fino a 8.000 litri d'acqua al giorno. I residenti lo chiamano il "raccolto delle nuvole".

Walter Canto, direttore regionale della Società Forestale nazionale del Cile, spiega:
"Non solo stiamo dando a Chungungo tutta l'acqua di cui ha bisogno, ma ricaviamo acqua suffidente a iniziare la forestazione dell'area circostante che nel giro di 5-6 anni potrà essere totalmente autosuffidente."

Altri 21 siti (per un totale di 1.000 acri) sulla costa del Pacifico dell'America Latina hanno trappole per nebbia. Alcune di queste località sono divenute autosufficenti e gli alberi sono diventati abbastanza grandi da raccogliere nebbia da soli, proprio come faceva l'ecosistema prima che i coloni lo distruggessero. Gli ecosistemi forestali sopravvivono precariamente con le gocce di nebbia raccolte dalle loro foglie. Alcune di queste foreste, circondate dal deserto, sono sopravvissute grazie alla nebbia per millenni. Anche una piccola deforestazione è sufficiente a iniziare una graduale ma completa distruzione.

Le zone ideali per le trappole di nebbia sono le regioni costiere aride o semi-aride con correnti fredde dal mare e catene montuose entro i 25 chilometri dalla costa, che variano dai 500 ai 1.000 metri sul livello del mare. Le reti che occupano il 70% dello spazio sono le più efficienti per intrappolare le gocce di nebbia. Due strati di reticolato, eretti in modo da sfregarsi, ottimizzano la raccolta dell'acqua in condotti di PVC collegati sul fondo delle reti. La raccolta varia a seconda della topografia e della densità della nebbia. La trappola per nebbia a Chungungo è lunga 12 metri per 4 metri di altezza e produce 180 litri d'acqua al giorno. In estate, quando la nebbia diventa più densa e più frequente, la produzione raddoppia.

Pozzi ad aria, stagni di rugiada e trappole per nebbia offrono reali speranze per un'umanità assetata. Nonostante la quantità d'acqua prodotta in questo modo non sia suffidente per le necessità di un'agricoltura su larga scala, innumerevoli vite possono essere salvate da queste semplici, raffinate tecnologie.


Note bibliografiche

1. Sayer, Kathy, Washington Fbst, 25 gennaio 1993.
2. "Dew Ponds", Scientific American, maggio 1934, pp. 254-55.
3. Popular Se/enee, settembre 1922, p. 5.
4. Popular Mechanics, dicembre 1932, p. 868.
5. Popular Se/enee, marzo 1933.
6. Knapen, Achille: Brevetto USA #1.816.592 (1931); Brevetto francese #333.093; Brevetto francese #682.352.
7. Coumeya, Calice: Brevetto USA #4.351.651.
8. Lindsley, E.R, Popular Se/enee, gennaio 1984, pp. 146-47.
9. Coanda, Henri: Brevetto USA #2.761.292; Brevetto USA #2.803.591; Brevetto USA #3.284.318.
10. Sculin, George, Tnje, dicembre 1956.
11. Lemonick, Michael, &q e Power Fence", Se/enee Digest, agosto 1984.uot; 12. Marks, Alvin: Brevetto USA #4.206.396; Brevetto USA #3.417.267.
13. San Frandsco Chronìcle, 16 settembre 1986.
14. Gourdine, Meredith: Brevetto USA #4.671.805.
15. Loos, Hendricus: Brevetto USA #4.475.927.

Fonte inglese: http://www.rexresearch.com
Si ringrazia per la traduzione in italiano presso: http://www.laleva.cc/ambiente/airwells.html



Pubblicato Giovedi 06 Ottobre 2011 - 20:04 (letto 1689 volte)
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