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Modellierung anaerober Umsetzungsprozesse mit dem Anaerobic Digestion Modell No. 1 (ADM1)

Für die mathematische Beschreibung anaerober Prozesse wurde von der IWA das Anaerobic Digestion Modell No. 1 (ADM1) entwickelt. Das ADM1 berücksichtigt einen allgemein gültigen Satz von Substraten und biochemischen Prozessen und wurde zunächst für die anaerobe Schlammstabilisierung entwickelt. Für die kinetischen Parameter werden Größenordnungen vorgegeben, die jedoch hohe Schwankungen aufweisen. Kalibrierte Stoffdaten und Angaben für die Zulaufcharakterisierung und -fraktionierung unterschiedlicher Abwässer fehlen. Eine Abbildung von reaktorspezifischen Bedingungen zur Behandlung industrieller Abwässer (z.B. für UASB-Reaktoren oder EGSB-Systeme) erfordert den Aufbau von mehrstufigen angepassten Modellen, die neben dem vierstufigen Prozess auch die entsprechenden verfahrenstechnischen Stufen abbilden. Die Ziele des Vorhabens sind:1.Modellentwicklung für verfahrenstechnische Varianten der anaeroben Industrieabwasserbehandlung zur verbesserten Abbildung aller Umsetzungsprozesse (z.B. UASB-Reaktor, zweistufiger Prozess; Verlängerungsphase des Antrages: EGSB-Reaktors, Modellkalibrierung, Übertragbarkeit auf großtechnische Anlagen),2. Bestimmung der wesentlichen Modellparameter und ihren Schwankungsbreiten durch Sensitivitätsanalysen, Kalibrierung und Validierung der Modelle mit Daten aus anaeroben Batchuntersuchungen und kontinuierlich betriebenen anaeroben Laborversuchen,3. Ermittlung von abwasser- und biomassenspezifischen Stoffdaten für eine Fraktionierung der Inhaltsstoffe industrieller Abwässer und von kinetischen Parametern der Biomasse im Rahmen von Laboruntersuchungen zur Anpassung des ADM1.

PM10 - flächenhafte Belastung (2015)

PM10 - flächenhafte Belastung 2015 - Luftschadstoffe Die Daten erlauben eine Übersicht über die Schadstoffbelastung im Dresdener Stadtgebiet sowohl an Hauptstraßen wie auch in der Fläche. Eine Einordnung Bezug Grenzwerte (39. BImSchV) ist möglich. Punktgenaue Aussagen sind auf Grund des verwendeten Rechenmodells und der Eingangsdaten nicht möglich. Belastungsschwerpunkte sind zu erkennen.

Passierbarkeit von Schlitzpässen unterschiedlicher Geometrie und Hydraulik

Veranlassung Die Schlitzpassbauweise ist potenziell an vielen der über 200 geplanten FAA an den Bundeswasserstraßen einsetzbar. Allerdings braucht es klare Bemessungsvorgaben, um die ökologische Funktionalität zu gewährleisten. Doch es gibt Unsicherheiten zur Passierbarkeit bei unterschiedlichen hydraulischen und geometrischen Bedingungen. Wie wirken sich unterschiedliche Strömungsmuster auf die Passierbarkeit aus? Wie beeinflussen Wendebecken den Fischaufstieg? Wie werden Strömungsschwankungen verursacht und beeinflussen sie die Fische? Diese Fragen werden von der BfG anhand markierter Fische (HDX-Telemetrie) und Beobachtungen (Imaging-Sonar) an Pilotanlagen sowie an der ethohydraulischen Rinne untersucht. Die BAW nutzt gegenständliche und numerische Modelle, um die Schlitzpass-Hydraulik besser zu verstehen und liefert damit zentrale Grundlagen für die Bemessung und fischökologische Bewertung. An der Pilotanlage Eddersheim wird eine ‘Doppelstranganlage’ geplant, in der mit Fischversuchen parallel verschiedene Schlitzpass-Varianten gegeneinander getestet werden (siehe ‘FuE-Rahmenkonzept: Ökologische Durchgängigkeit’, Kapitel 4.1.2). Ziele - Hydraulik verschiedener Schlitzpass-Ausprägungen analysieren (BAW) - Fischpassierbarkeit verschiedener Schlitzpass-Geometrien ermitteln - Passierbarkeit von Wendebecken analysieren - Auswirkung der FAA-Länge und wechselnder Unterwasserstände untersuchen Die Ergebnisse gehen als BfG/BAW-Fachempfehlung des WSV-Handbuchs ‘Ökologische Durchgängigkeit’ direkt in die konkrete WSV-Planung ein. Fischaufstiegsanlagen in Schlitzpass-Bauweise lassen sich planerisch gut bemessen und platzsparend bauen. Sie werden aus diesem Grund häufig errichtet, und es liegen viele wissenschaftliche Erkenntnisse zu diesem Bautyp vor. Trotzdem gibt es komplexe hydraulische Phänomene, deren Ursache und Auswirkung auf die Passierbarkeit unbekannt sind. Wie effizient passieren Fische unterschiedlicher Arten und Größen diese unterschiedlichen hydraulische Bedingungen? Welche fischökologischen Anforderungen müssen an die hydraulische Bemessung gestellt werden, um ökologisch ausreichend funktional zu sein? Schlitzpässe sind die am häufigsten gebauten Fischaufstiegsanlagen (FAA). Trotz Planungsvorgaben gibt es aber noch Fragen zur Passierbarkeit unter verschiedenen hydraulischen und geometrischen Bedingungen.

Tripelelement-Stabilisotopensignaturen zur Untersuchung des atmosphärischen Chlormethanbudgets

Die stratosphärische Ozonschicht absorbiert die UV-C und UV-B Sonnenstrahlung und schützt damit Pflanzen, Tiere und Menschen vor Strahlenschäden. Durch anthropogen emittierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) wird die Ozonschicht abgebaut. Da FCKWs seit dem Montrealer Protokoll stark zurückgegangen sind, werden halogenierte Verbindungen wie Chlormethan (CH3Cl), die aus natürlichen Quellen freigesetzt werden, für den Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre zunehmend relevant. CH3Cl ist das am häufigsten vorkommende chlorhaltige Spurengas in der Erdatmosphäre, das für etwa 17% der durch Chlor katalysierten Ozonzerstörung in der Stratosphäre verantwortlich ist. Daher wird CH3Cl vornehmlich die zukünftigen Gehalte an stratosphärischem Chlor bestimmen. Die aktuellen Schätzungen des globalen CH3Cl-Budgets und die Verteilung der Quellen und Senken sind sehr unsicher. Ein besseres Verständnis des atmosphärischen CH3Cl-Budgets ist daher das Hauptziel dieses Projektes.Die Analyse stabiler Isotopenverhältnisse von Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Chlor (Cl) hat sich zu einem wichtigen Werkzeug zur Untersuchung des atmosphärischen CH3Cl-Budgets entwickelt. Das zugrundeliegende Konzept besteht darin, dass das atmosphärische Isotopenverhältnis einer Verbindung wie CH3Cl gleich der Summe der Isotopenflüsse aus allen Quellen angesehen werden kann, korrigiert um den gewichteten durchschnittlichen kinetischen Isotopeneffekt aller Abbauprozesse. Dadurch ist es möglich, die Bedeutung wichtiger Quellen und Senken mit bekannten Isotopensignaturen zu entschlüsseln. Eine Grundvoraussetzung für detaillierte Hochrechnungen des globalen Budgets ist die Bestimmung der durchschnittlichen Isotopenverhältnisse von H, C und Cl des troposphärischen CH3Cl. Aufgrund der relativ geringen Konzentration von atmosphärischem CH3Cl von ~550 ppbv stellt dies eine große messtechnische Herausforderung dar. Daher liegt der Schwerpunkt dieses Antrags auf der erfolgreichen Entwicklung von Dreifachelement-Isotopenmethoden zur genauen Messung von atmosphärischem CH3Cl.Im ersten Schritt wird ein Probenahmesystem für große Luftmengen konstruiert und für die Messungen der stabilen Isotopenverhältnisse von CH3Cl optimiert. Das Probenahmegerät wird zunächst im Labor getestet und dann zum Sammeln von Luftproben an drei verschiedenen Orten eingesetzt: an der Universität Heidelberg, am Hohenpeißenberg und im Schneefernerhaus. Die Probenahmen werden über einen Zeitraum von einem Jahr durchgeführt, um möglichst auch saisonale Schwankungen zu erfassen. Die Isotopenverhältnisse der Proben werden mit modernsten massenspektrometrischen Methoden im Labor gemessen. Die Ergebnisse aller Standorte und Zeitpunkte werden in der Gesamtheit evaluiert, um die durchschnittlichen stabilen H-, C und Cl-Isotopenwerte einschließlich ihrer saisonalen Schwankungen darzustellen. Abschließend werden die Daten hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für komplexe numerische Modelle kritisch diskutiert.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Küstenfernes Süßwasser: 3D numerische Simulationen von Grundwasserströmung am New Jersey Shelf

Ziel dieser Studie ist die Erforschung der Grundwasserbewegung im New Jersey Shelf (NJS). Ende der 1970er Jahre wurde Grundwasser mit deutlich geringerem Salzgehalt als Meerwasser in zahlreichen Bohrungen entlang der U.S. Ostküste nachgewiesen - teilweise mehr als 100 km vom Festland entfernt. Besonders detaillierte Daten zur Porenwassersalinität wurden im Rahmen von IODP Leg 313 am NJS gewonnen: Sie zeigen abrupte vertikale Salinitätskontraste an allen drei Bohrlokationen. Verschiedene Autoren erklären die Entstehung von küstenfernem Süßwasser im NJS durch rezenten meerwärts gerichteten Grundwasserfluss oder führen sie auf ein erhöhtes hydraulisches Potential während der letzten Eiszeit zurück. Zur Klärung welcher dieser Prozesse zur Entstehung von küstenfernem Süßwasser geführt hat, soll im Rahmen dieser Studie, auf der Basis eines detaillierten 3D hydrogeologischen Modells, die Grundwasserströmung im NJS numerisch simuliert werden. Es werden folgende Arbeitshypothesen aufgestellt: 1. Küstenfernes Süßwasser im NJS entstand während der letzten Eiszeit. 2. Ablandige Grundwasserströmung reicht gegenwärtig nicht bis zu 100 km von der Küste. 3. Küstenferne Süßwasservorkommen sind auf Sedimentschichten mit niedriger Permeabilität beschränkt. Die verfügbare Datengrundlage ist exzellent und besteht neben petrophysikalischen Messungen und Bohrlochdaten vergangener ODP/IODP Expeditionen aus zahlreichen 2D seismischen Profilen. Das gleichnamige Projekt wird seit Mitte 2015 an der TU Freiberg und seit Ende 2016 an der RWTH Aachen durch die DFG gefördert. Eine Tiefenmigration reflexionsseismischer Profile ist nahezu abgeschlossen und bildet die Grundlage zur Erstellung eines hydrogeologischen Modells. Auf Basis einer sequenz-stratigraphischen Interpretation der seismischen Daten und unter Berücksichtigung der aus Bohrlochdaten abgeleiteten Korngrößenverteilung am NJS, wurde mittels geostatistischer Verfahren ein komplexes, über 30 Millionen Gitterpunkte umfassendes und geologisch plausibles 2D Faziesmodell erstellt. Dabei ist jeder Faziestyp durch bohrloch- und literaturgestützte petrophysikalische Eigenschaften charakterisiert. Nach sorgfältiger Definition von Anfangs- und Randbedingungen, bildet dieses Modell die Grundlage für vorläufige numerischer Simulationen. Die Simulationsergebnisse sind vielversprechend und deuten auf eine Bestätigung der oben genannten Hypothesen hin. Zukünftig geplante Arbeiten umfassen eine Erweiterung des hydrogeologischen Modells in 3D unter Einbeziehung multiple-point-geostatistischer Methoden. Dabei sollen auch die durch eine AVO-Analyse der Seismik abgeleiteten petrophysikalischen Parameter berücksichtigt werden. Die Überprüfung der oben genannten Hypothesen wird durch numerische Simulationsrechnung auf Basis des finalen 3D Modells erfolgen. Die Ergebnisse dieser Studie können zu einem verbesserten Verständnis von meerwärts gerichtetem Grundwassertransport im Allgemeinen beitragen.

Computergestützter Ansatz zur Kalibrierung und Validierung mathematischer Modelle für Strömungen im Untergrund - COMPU-FLOW

Vorhersagen im Untergrund (z.B. Grundwasserströmung oder Schadstofftransport) leiden unter hohen Unsicherheiten. Diese entstehen vor allem durch die Heterogenität von geologischen Materialien, die unmöglich im Detail erfasst werden kann. Die Auflösung der Struktur kann jedoch durch neue Arten von Daten verbessert und die verbleibende Unsicherheit verringert werden, indem Strömungs- und Transportmodelle auf gemessene Werte von Zustandsvariablen kalibriert werden. Um die verbleibende Unsicherheit zu quantifizieren, müssen stochastisch-inverse Techniken anstelle konventioneller Kalibrierungsmethoden verwendet werden. Tatsächlich gibt es viele verschiedene (stochastisch-)inverse Methoden in der Literatur. Jedoch fehlt bislang eine schlüssige und überzeugende Gegenüberstellung ihrer gegenseitigen Vor- und Nachteile, und dies behindert massiv die aktuelle Forschung an verbesserten inversen Methoden. Vor Allem fehlen wohldefinierte Benchmark-Szenarios für Vergleiche unter standardisierten, kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen. Das beantragte Projekt wird dieses Problem lösen indem eine Auswahl an Benchmarks mit hochakkuraten Referenzlösungen erstellt wird. Darauf aufbauend wird eine gemeinschaftliche Vergleichsstudie durchgeführt. Die Benchmarks, Referenzlösungen und Vergleichslösungen werden öffentlich langfristig zur Verfügung gestellt, um auch jenseits des beantragten Projekts eingesetzt zu werden. Die Benchmarks erstrecken sich auf vollgesättigte, transiente Grundwasserströmung, schwache und starke Heterogenität sowie multi-Gauß'sche und nicht-multi-Gauß'sche Strukturtypen. Besonderes Augenmerk liegt auf der Genauigkeit der Referenzlösungen. Diese werden mit spezialisiert weiterentwickelten Versionen des 'preconditioned Crank-Nicholson Markov Chain Monte Carlo' erstellt, ausgerüstet mit adaptiven Sprungverteilungen, multi-temperierten parallelen Ketten, stochastischen Gradientensuchen und Erweiterungen für nicht-multi-Gauß'sche Fälle. Die Algorithmen werden zum hochparallelisierten Einsatz auf den Großrechenanlagen in Jülich angepasst. Die Community der inversen Modellierung wird über einen Workshop eingebunden, in dem die genaue Strategie, Kriterien und Logistik für die Vergleichsstudie festgesetzt werden. Weltweit haben bereits 12 namhafte Forschungsgruppen zugesagt, am Workshop und an der Vergleichsstudie teilzunehmen. Insgesamt ist dieser Antrag eine einzigartige Initiative, um die internationale Community der inversen Grundwassermodellierung zusammenzubringen, wichtige Erkenntnisse zu gewinnen und inverse Methoden weiter zu verbessern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Modellierung kleinskaliger Prozesse im antarktischen Meereis und ihre Auswirkungen auf die biologische Kohlenstoffpumpe im zukünftigen Südpolarmeer - ein physikalisch-biologischer gekoppelter zweiskalen Ansatz

Die jahreszeitliche Variabilität der globalen Meereisbedeckung ist eine wichtige Komponente des globalen Klimas. Jedoch ist der kleinskalige Einfluss des Meereises in globalen Klimamodellen bis heute nur unzureichend beschrieben. Dieser Antrag hat daher das Ziel, die physikalischen (P) und bio-geo-chemischen (BGC) Schlüsselprozesse im Meereis mit einem hochaufgelösten Zweiskalenmodell mathematisch zu beschreiben. Die Ergebnisse können dann parametrisiert in globale Klimamodelle (GCMs) einfließen, sodass eine verbesserte Prognosefähigkeit erreicht wird.Die Ozeanerwärmung wird die Mikrostruktur des Meereises erheblich verändern. Wir entwickeln daher ein P-BGC-Modell einer antarktischen Meereisscholle, um die komplexen gekoppelten Zusammenhänge zwischen Eisbildung, Nährstofftransport, Salinität und Solekanalverteilung, Photosynthese und Karbonatchemie mathematisch zu beschreiben. Damit simulieren wir verschiedene Szenarien der Meereisbildung und ihrer Auswirkungen auf das Wachstum von Meereisalgen, die einen großen Einfluss auf den vertikalen Kohlenstoff-Export (biologische Kohlenstoffpumpe) besitzen.Damit leistet dieses Projekt einen wesentlichen Beitrag zum Forschungsschwerpunkt ‘3.2.D - Verbessertes Verständnis der polaren Prozesse und Mechanismen’ bei. Im Einzelnen gehen wir auf drei übergeordnete Ziele ein:Schritt 1: Beschreibung der Meereisstruktur Wir verwenden ein gekoppeltes Zweiskalenmodell, mit dem relevante Aspekte des Gefrierens und Schmelzens im Zusammenhang mit Deformation, Salinität und Soletransport beschrieben werden. Auf der Makroebene dient dafür eine kontinuumsmechanische Beschreibung im Rahmen der erweiterten Theorie poröser Medien (eTPM). Damit können über einen gekoppelten Gleichungssatz partieller Differentialgleichungen (PDE) Deformations-, Transport und Reaktionsprozesse beschrieben werden. Für das physikalische Phänomen der Phasentransformation zwischen Wasser und Eis dient das Phasenfeldmodell (PF) als Mikromodell, welches ebenfalls aus gekoppelten PDEs besteht. Daraus resultiert eine PDE-PDE Kopplung.Schritt 2: Kopplung mit dem erweiterten RecoM2 Modul als Mikromodell Damit können die BGC Phänomene beschrieben werden. Das RecoM2 Modul besteht aus einem Gleichungssystem gewöhnlicher Differentialgleichungen, sodass hier eine PDE-ODE Kopplung zu einem P-BGC Modell erfolgt. Schritt 3: Bewertung der Modellansätze Dies beinhaltet die Verifizierung und Validierung des kombinierten P-BGC-Modells mittels Literatur- sowie experimenteller Daten. Für die Verwendung des hochaufgelösten zweiskaligen P-BGC Modells in globalen Klimamodellen muss die Berechnungseffizienz gesteigert werden. Zu diesem Zweck werden Reduzierte-Basis-Modell (ROM) zur Erzeugung von Surrogaten des Vollen-Basis-Modells (FOM) eingesetzt, die die Modellkomplexität verringern, z.B. durch datengetriebene Machine-Learning (ML)-Techniken oder “Generalized Proper Decomposition” (GPD).

Spurenelementuntersuchung in Tidefluessen und Kuestengewaessern

Ziel des Vorhabens sind Bestandsaufnahmen des Belastungszustandes der norddeutschen Tidefluesse und Kuestengewaesser in Hinblick auf Schwermetalle sowie die Bilanzierung dieser Schadstoffe. Die Durchfuehrung erfolgt in enger Wechselwirkung mit hochaufloesenden hydrographischen Messungen (WA 31-059) und der Simulation der Transportvorgaenge mit mathematischen Modellen. Analysiert werden - bis in den extremen Spurenbereich - Schwebstoff-, Filtrat- und Sedimentproben sowie Gewebe aquatischer Organismen. Zur Absicherung der Richtigkeit der Ergebnisse kommen verschiedene analytische Verfahren zum Einsatz: die Aktivierungsanalyse mit thermischen Neutronen (instrumentell, radiochemisch oder mit Aktivkohle), die Aktivierungsanalyse mit 14 MeV-Neutronen, die Totalreflexions-Roentgenfluoreszenz, die optische Emissionsspektroskopie mit Plasmafackel sowie die prompte Neutroneneinfang-Gammaspektroskopie. Im Vordergrund der bisherigen Untersuchungen standen die Unterweser und die Wattenmeere an der Westkueste Schleswig-Holsteins. Die laufenden Arbeiten konzentrieren sich auf die Elbe.

Theoretische und experimentelle Untersuchungen ueber das Press- und Scherverhalten von Schlaemmen

Untersuchungen ueber das Entwaesserungsverhalten von Schlaemmen aus faserigen und koernigen Produkten. Die Filterkuchen werden hierbei gepresst und geschert. Entwurf einer Versuchsanlage, die geeignete Filterkuchenparameter fuer ein mathematisches Modell zur Vorausberechnung des Entwaesserungsvorgangs liefern soll.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Die Bildung des Peak Rings in Chicxulub: Entschlüsselung des Deformationspfads und des gesteinsmechanischen Verhaltens

Der 200-km große Chicxulub-Einschlagskrater in Yucatán, Mexiko, wurde im Rahmen der IODP-ICDP Expedition 364 erbohrt. Die Bohrung hat zum ersten Mal eine zentrale Ringstruktur (Peak Ring) erfasst, welche ein gebirgiger Ring ist, der in großen Impaktstrukturen auftritt und sich innerhalb des Kraterrands über die Topographie des Kraterbodens erhebt. Dieser Antrag befasst sich mit zwei Hauptfragen, die im Rahmen der Expedition 364 gestellt wurden: 1) Welche Eigenschaften und Bildungsmechanismen sind für Peak Rings wichtig? 2) Wie werden Gesteine während großer Impakte entfestig, um dabei den Kollaps und die Bildung relativ weiter, flacher Krater zu ermöglichen?In Bezug auf die erste Frage gibt es zwei konkurrierende Modelle der Peak Ring-Bildung: i) Ein konzeptionelles geologisches Modell, das auf geologische und fernerkundliche Beobachtungen des Mondes und anderer planetarer Körper fußt, und die Rolle eines großen Anteils an Impaktschmelze für die Peak Ring-Bildung betont, und ii) ein numerisches Modell, das Hydrocode-Simulationen einsetzt, um die Peak Ring-Bildung zu berechnen. Die zwei Modelle prognostizieren deutlich unterschiedliche kinematische Pfade und strukturelle Deformationsmerkmale in den Peak Rings, und eine Voruntersuchung der Kerne von Expedition 364 zeigt, dass diese Merkmale grundsätzlich vorhanden sind. Wir werden die Kerne mit quantitativen mikro- und makrostrukturellen Methoden untersuchen, um die Deformationsgeschichte des Peak Rings zu entschlüsseln und damit Grundsatzdaten liefern, die diese Modelle bestätigen.Die zweite Frage spricht die Problematik der vorübergehenden Schwächung des Targets an, die für die Kraterbildung nötig ist, und ein fortwährendes Problem der Kratermechanik darstellt. Drei Modelle liegen vor: 1) Akustische Fluidisierung sieht die Reduktion der Reibung durch seismische Erschütterungen vor. 2) Thermal Softening postuliert eine Erhitzung durch Stoßwellen und plastische Verformung. 3) Strain Rate Weakening/Frictional Melting setzt z.B. eine lokale Herabsetzung der Reibung durch Schmelzen voraus. Die Bohrkerne ermöglichen es uns, die Relevanz der drei Modelle einzuschätzen. Wir werden die die Kerne auf spezifische mikrostrukturelle Merkmale untersuchen, um zwischen den Schwächungsmechanismen zu unterscheiden. Zudem wird die Entfestigung durch Impaktschädigung mittels mechanischer Versuche im Labor untersucht. Wir werden die Bedeutung der ratenabhängigen Spröddeformation auswerten als ein Prozess, der durch Pulverisierung die Gesteinsfestigkeit beeinflusst.Unsere makro- und mikrostrukturellen Analysen werden wir zu einem kinematischen Modell für den Chicxulub-Peak Ring zusammenführen. Als Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Peak Ring-Bildung im Sonnensystem kann dies zu einer verbesserten Interpretation von Fernerkundungsstudien an großen Kratern führen. Potentiell werden hierdurch auch die speziellen Prozesse des Chicxulub-Impakts besser verstanden, die das K-Pg Aussterbeereignis auslösten.

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