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Dokumentenidentifikation DE102005020226A1 16.11.2006
Titel Impulsaustauschantrieb mit Energierückgewinnung
Anmelder Weinberger, Alfred, 97486 Königsberg, DE
Erfinder Weinberger, Alfred, 97486 Königsberg, DE
DE-Anmeldedatum 30.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005020226
Offenlegungstag 16.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse F03G 7/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Energierückgewinnung von Fahrzeugen beschränkt sich auf die Verzögerung derselben und ist leider nur durch Elektro- oder Hybridfahrzeuge möglich. Fahrzeuge herkömmlicher Verbrennungsmotoren geben die kinetische Verzögerungsenergie als Abwärme an die Umwelt weiter, daher ist sie unwiederbringlich verloren. Weitere Merkmale heutiger Antriebe für Land- und Wasserfahrzeuge sind durchdrehende Räder auf glattem Untergrund, beschädigte oder abgebrochene Wasserpropeller, die durch Berührungskontakt zum Untergrund beziehungsweise durch Treibgut verursacht werden.
Durch den Impuls einer beschleunigten Masse um 180° auf einer Kreisbahn wird durch den direkten Austausch das Fahrzeug von der Zentrifugalkraft linear vorwärts bewegt. Die Zentripetalkraft treibt das Fahrzeug durch den Impuls in die gleiche Richtung weiter, die von der Verzögerung auf der restlichen Kreisbahn von 180° entsteht. Durch die Symbiose der Zentripetalkraft und der Rückgewinnung der kinetischen Energie fährt ein solches Fahrzeug nahezu kontaktfrei und äußerst energieeffizient. Dass das Ganze von einem zentralen Elektromotor, der auch als Generator wirkt, bewegt und durch Computerprogramme gesteuert wird, versteht sich von selbst. Nicht selbstverständlich, aber sinnvoll ist es, die Akkubatterien als rotierende Masse auf der Kreisbahn einzusetzen.
Eine effiziente Anwendung des Antriebs ermöglicht:
- zu Land und zu Wasser kontaktlos fahren,
- äußerst sparsamen Verbrauch durch die kontinuierliche ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Antrieb, der ohne Kontakt zum Untergrund Fahrzeuge fortbewegt, insbesondere durch den direkten Impulsaustausch einer schweren Masse, die auf einer horizontalen Kreisbahn im Fahrzeug rotiert, wobei die kinetische Energie, innerhalb des Systems, zurückgewonnen wird.

Ein derartiger Antrieb ist universell für jedes Land-, Wasser-, oder Amphibienfahrzeug geeignet. Die Kontaktlosigkeit ermöglicht einen Einsatz von Fahrzeugen, die auf keine Reibungshaftung der Räder an Land, oder im Wasser angewiesen sind. Des weiteren ist während des Betriebes, durch kontinuierliche Energierückgewinnung innerhalb des Systems, geringster Energieverbrauch zur Fortbewegung gewährleistet. Schwere Akkubatterien fallen nicht als Ballast an, denn sie sind Teil des Antriebssystem, wodurch die Elektrifizierung im individuellen Personen- oder Transportverkehr gefördert wird.

Es ist bekannt, dass schon in den Anfängen des Industriezeitalters das Bestreben bestand, so viel Kraft wie möglich von der eingesetzten Primärenergie durch die Maschinen herauszuholen. Angefangen mit der Dampfmaschine, deren Wirkungsgrad von anfänglichen 1–10 Prozent lag, bis hin zum heutigen Verbrennungsmotor, der bis zu 40 Prozent der eingesetzten Primärenergie in Bewegungsenergie umwandelt, wird dieser Wert nur vom Elektromotor überschritten, dessen Wirkungsgrad über 90 Prozent liegt. Sein Einsatz liegt hauptsächlich im stationären Bereich, da der Leitungsstrom als Primärenergie gerechnet wird. Im Fahrzeugwesen ist der primäre Energiespeicher (Akku) zu schwer und muss als Ballast mitgeführt werden. Der Energiegehalt einer gleichschweren Tankfüllung, liegt beim Kraftstoff wesentlich höher als beim Akku, denn hier kann auch der bessere Wirkungsgrad des Elektromotors, die höhere Kapazität nicht ausgleichen. In sogenannten Hybridfahrzeugen werden die mitgeführten Akkus kleiner gehalten (was weniger Ballast bedeutet), da sie vom Benzinmotor (der auch kleiner und somit leichter ist), wieder aufgeladen werden. Im Toyota Prius leistet der Elektromotor mit 50 KW fast so viel wie der Verbrennungsmotor und arbeitet auch als Generator beim Verzögern des Fahrzeuges, um die kinetische Energie zurück – zugewinnen. Oder, wenn weniger Leistung benötigt wird, um die Akkubatterie wieder aufzuladen, gibt der Verbrennungsmotor mehr Energie an den Generator ab, als er zum Fahren benötigt. Diese wird in Sekundenbruchteilen von einer komplizierten Elektroniksteuerung individuell geregelt. Das Hybrid – Konzept will Toyota Zug um Zug auf jedes seiner Modelle ausweiten, laut der Zeitschrift P.M., Peter Moosleitners Magazin – Die moderne Welt des Wissens, Februar 2004, Seite 75. In der selben Zeitschrift aus dem Heft, März 2002, Seite 68, liegt der Vorteil von Brennstoffzellen hauptsächlich im stationären Bereich, durch die Symbiose von Kraft (Strom) und Wärme. Der mobile Einsatz der Brennstoffzelle zögert sich immer weiter hinaus, denn zu den Problemen im Fahrbetrieb kommen die, der Infrastruktur mit Wasserstoff hinzu. Da Wasserstoff als Primärenergiestoff in der Natur nicht vorkommt, muss er aus dem Stadtgas herausgefiltert werden, oder energieaufwändig produziert, eventuell gekühlt und gelagert werden.

Fahrzeuge die auf einem Verbrauch von 3 Liter auf 100 km kommen, müssen physikalisch bedingt, leicht und somit klein, geringsten Roll -, sowie Luftwiderstand besitzen. Denn: ein Liter Dieselöl enthält ca. 10 KWh Arbeit, was 136 MJ entspricht. In 3 Liter Dieselkraftstoff steckt die Arbeit von ca. 30 KWh, die jedoch nur zu einem kleinen Teil an die Räder kommen, da auch die besten Motoren einen Wirkungsgrad von höchstens 40 Prozent besitzen. Mit der Energie von ca. 12–14 KWh lassen sich, weder theoretisch noch praktisch, tonnenschwere Massen extrem stark beschleunigen, oder damit hohe Geschwindigkeiten erreichen. Erst die Hybridtechnik wird das 3 Liter Auto auf 100 km ermöglichen, da der Verbrennungsmotor größtenteils im günstigen Teillastbetrieb läuft, und die Verzögerungsenergie des Fahrzeugs als potentielle Energie durch den Generator zurückgewinnt. Diese Bewegungsenergie (potentielle Energie) ermöglicht in der Nürnberg – Fürth U – Bahn eine Energieeinsparung von ca. 30 Prozent, nach bgv Physik 3, S. 80 vom Bayerischem Schulbuch – Verlag München. Ob Hybridantrieb, Elektro-, oder Verbrennungsmotor, bei allen Antriebsarten gilt allgemein, sie brauchen Haftungskontakt zur Oberfläche (auch bei der Schiene), oder bei Wasserfahrzeugen Kontakt zum Wasser. Eisglatte Fahrbahnen machen ein Vorwärtskommen für Fahrzeuge manchmal unmöglich, auch mit Allradantrieb. Unmöglich ist es auch im flachen Wasser, oder im sumpfigen Gelände, einen Wasserpropeller zum Vortrieb zu benutzen. Hier wird dann das Rückstoßprinzip durch Luftpropeller angewandt, was jedoch für Landfahrzeuge ungeeignet ist, da es Staub und Dreck aufwirbelt. Ein gemeinsames Antriebkonzept für Wasser – und Landfahrzeuge gibt es nicht. Entweder gibt es nur Land –, oder nur Wasserfahrzeuge. Ein Amphibienfahrzeug kommt einem universellen Fahrzeug schon nahe, hat aber zwei verschiedene Antriebssysteme und ist außerdem in sumpfigem Gelände, oder flachen Gewässern unwirksam. Ein Universalfahrzeug mit einem universellen Antrieb gibt es nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde; dass durch die Bewegungsimpulse der Akku – batterien, oder einer anderen Masse, das Fahrzeug kontaktlos durch den Impulsaustausch bewegt wird, wobei die kinetische Energie im geschlossenen System zurückgewonnen wird, und somit als Universalantrieb ein universelles Fahrzeug äußerst energiesparsam fortbewegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zentrifugalkraft beim Beschleunigen der Akkus als Masse (mp) auf einer horizontalen Kreisbahn im Fahrzeug, sowie die Zentripetalkraft beim Verzögern der Akkumasse in dieselbe Richtung wirken, wobei deren kinetische Energie beim Verzögern größtenteils zurückgewonnen wird. Durch einen Elektromotor, der zentral im Mittelpunkt der Kreisbahn mit dem Fahrzeug verbunden ist, erfolgt die Beschleunigung, sowie im Schubbetrieb die Verzögerung, wobei dann der Elektromotor als Generator arbeitet. Die Beschleunigung von mp erfolgt vom Heckwendepunkt bis zum Frontwendepunkt, spätestens nach 180 Grad auf der Kreisbahn. Die Masse mp sollte weniger als die Hälfte der Kreisbahnfläche bedecken. Die eingeschlagene Drehrichtung von mp spielt dabei keine Rolle. Da heutige leistungsstarke Elektromotoren in den Fahrzeugen im Umkehrverfahren als Generator arbeiten, wird nach der 180 Grad Beschleunigung von mp (Akkus), deren kinetische Energie beim Verzögern durch den Generator in elektrische Energie zurückgewandelt und den Akkus wieder zugeführt.

Durch den Elektromotor werden die Akkus (mp) auf der Kreisbahn in Fahrtrichtung bis zu einem Drehwinkel von 180 Grad beschleunigt. Die dadurch einwirkende Zentrifugalkraft (Fz) bewegt die Masse des Fahrzeuges (mw), einschließlich des Elektroaggregates, in Fahrtrichtung. Fz = mp vp2/rp, wobei vp die Geschwindigkeit von mp auf der Kreisbahn mit dem Radius rp ist. Die Zentrifugalkraft wird durch das Beschleunigen von mp auf der Kreisbahn hervorgerufen. Die Beschleunigung von mp geschieht vom hinteren Umkehrpunkt der Kreisbahn in Fahrtrichtung des Fahrzeugs, bis zum vorderen Umkehrpunkt, der nach 180 Grad erreicht ist. Das heißt, mp wird nur einen halben Kreisumlauf beschleunigt. Beim Erreichen des vorderen Umkehrpunktes wird die Beschleunigung von mp eingestellt, ab hier tritt die Verzögerung durch den Elektromotor ein, der jetzt als Generator arbeitet. Die kinetische Energie von mp wird größtenteils in elektrische Energie zurückgewandelt und den Akkus wieder zugeführt, wobei berücksichtigt werden muss, dass die Verzögerung am hinteren Wendepunkt abgeschlossen ist, denn von hier beginnt die neuerliche Beschleunigung. Verzögerung und Beschleunigung müssen demnach die selben Werte besitzen, um gemeinsam in die gleiche Richtung zu wirken. Denn mit der Verzögerung wirkt die Zentrifugalkraft (Fr) in Richtung des Mittelpunktes der Kreisbahn und da sie dieselben Werte besitzt, ist sie mit der Zentrifugalkraft gleich zu setzen. Fr = mp vp2/rp.

Fz und Fr bewirken eine Kreisbeschleunigung des Fahrzeugs (aw), wobei beide in dieselbe Richtung wirken. Im kräftefreien Raum bewirkt die Zentralbeschleunigung von mw (aw), dass das Fahrzeug ebenfalls einen halbkreisförmigen Weg zurücklegt. Hervorgerufen durch die Zentralbeschleunigung aw, erreicht das Fahrzeug die Geschwindigkeit vw. Die Geschwindigkeit ergibt sich aus dem Verhältnis der Massen mp zu mw und somit gilt: mp vp/mw = vw.

Im kräftefreien Raum entspricht dann der Radius des Fahrzeuges mw (rw): vw2/aw Denselben Wert (rw) erreicht man durch rp mp/mw

Da Roll – und Luftwiederstandskräfte nicht berücksichtigt sind, gleichen die Werte dem Wert im kräftefreien Raum. Im Normalfall wird pro Impuls die Masse mp und somit auch mw um 180 Grad beschleunigt, und innerhalb der 180 Grad erfolgt die Verzögerung. Beschleunigung und Verzögerung haben demnach die selben Werte, und sie bewirken beide, dass die Masse mw in die Richtung der Beschleunigung von mp, aber entgegengesetzt der Verzögerung von mp, das Fahrzeug mw in dieselbe Richtung fortbewegt. Da jeder Impuls nach 180 Grad erfolgt, legt das Fahrzeug den eigentlichen Weg 2 rw zurück. Die eigentliche Halbkreisbahn von mw im kräftefreien Raum wiederholt sich mit der Anzahl der Impulse, wobei der von mw zurückgelegte Weg immer 2 rw pro Impuls beträgt. Dass ein Fahrzeug den linearen Weg 2 rw einhält, kann durch Räder an mw, welche die seitlichen Kräfte absorbieren, oder durch zwei gegenläufige Massen mp herbeigeführt werden, wobei auf eine Gleichzeitigkeit der Impulse in der Beschleunigung und in der Verzögerung geachtet werden muss. Denn bei Ungleichheit der Impulse würde eine Masse (mp) in der Verzögerungsphase durch den direkten Impulsaustausch von mw beschleunigt werden und die Zentrifugalkraft auftreten, die dann entgegen der Fahrtrichtung einwirkt. Bei entgegengesetzter Gleichzeitig- und Gleichwertigkeit von mp, zählen die Massen mp links- und rechtsdrehend als einheitliche Masse mp, wobei beide Impulse sich in einem Impuls verschmelzen. Die Geschwindigkeit mit der sich mw radial vorwärtsbewegt hängt von der Anzahl der Impulse ab, die in einer Sekunde erfolgen. Eine Sekunde, dividiert durch die Beschleunigungszeit von mp (t), ergibt die Anzahl der Impulse (Pn) die pro Sekunde erfolgen, Pn/1 sek. = 1 sek./t.

Da Beschleunigung und Verzögerung von mp die selben Werte besitzen, ist auch die Anzahl der Impulse in der Verzögerung identisch, mit dem der Beschleunigung. Die Geschwindigkeit des Wagens pro Impuls (P) beträgt demnach vw/P = 2rp mp/mw Pn/sek. Die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (vw) beträgt demnach pro Impuls 2 rw Pn/sek = vw/P. Eine Geschwindigkeitszunahme, oder -abnahme hängt demnach von der Impulszahl Pn/sek. ab. Da die Beschleunigung von mp, sowie die Verzögerung, auf einer Kreisbahn erfolgt, ist es möglich mp an jeder Stelle zu Beschleunigen oder zu Verzögern. Dadurch wirkt die Zentrifugalbeschleunigung nicht geradeaus, sondern seitlich auf das Fahrzeug. Je nach Einschlag des Lenkwinkels, wirkt dann Fz in die Richtung, in der das Fahrzeug gelenkt wird. Ebenso wirkt dann die Zentripetalbeschleunigung beim Verzögern von mw, wobei sich die Zeitwerte von Verzögerung und Beschleunigung etwas verschieben. Der Antrieb ermöglicht eine direkte Steuerung des Fahrzeuges, oder eine direkte Unterstützung der Lenkeinrichtungen. Durch die 360° auf der Kreisbahn von mp lassen sich auch die Impulse so steuern, dass sie entgegengesetzt der Fahrtrichtung von mw zum Verzögern, oder einfach nur zum Rückwärtsfahren einwirken. Mit einer mechanischen Steuerung der Impulse ist dies nicht zu bewältigen, hier muss der Computer übernehmen. Im Übrigen funktioniert das ganze System nur durch den Computer mit dazugehöriger Software. Nicht nur die Wendepunkte von mp auf der Kreisbahn müssen gradgenau gesteuert werden, auch die Beschleunigungswerte, die mit den Verzögerungswerten übereinstimmen müssen, müssen im richtigen Augenblick mit der richtigen Stromstärke, bzw. mit dem richtigen Widerstand verzögert werden. Zweckmäßig und sinnvoll ist es die Masse mp mit den Akkus zu besetzen, denn je schwerer die Akkus, um so mehr Leistungspotenzial steckt in ihnen und sie müssen nicht als Ballast im Fahrzeug mitgeführt werden. Denn: Je schwerer mp, das auch durch jede andere schwere, feste Masse ersetzt werden kann, um so größer ist der Weg 2 rw, den das Fahrzeug pro Impuls zurücklegt. Elektromotoren mit großer Leistung, die mp beschleunigen und im Umkehrverfahren als Generator Strom erzeugen, sind schon längst in der Automobilindustrie Standard, wie es die serienmäßige Hybridtechnik beweist. Je besser der Wirkungsgrad des Generators (Elektromotor), der die kinetische Energie von mp zurückgewinnt und die Energieverluste auf ein Minimum reduziert, desto größer ist die Abgabedauer der Akkubatterien, da ihnen die Energie wieder zurückgeführt wird. Lediglich der Energieverlust pro Impulseinheit (die Impulseinheit ergibt sich aus Beschleunigung und Verzögerung von mp) sollte ergänzt werden, da auch die leistungsstärksten Akkubatterien einmal entladen sind. Eine Ergänzung außerhalb des geschlossenen Kreislaufsystems von mp, durch Einbeziehung der Bewegungsenergie von mw, bringt keinen Erfolg, denn jeder Widerstand von mw, muss innerhalb des Systems von mp durch Mehrverbrauch, und somit größeren Verlust, erkauft werden. Damit ist unmissverständlich dargestellt, dass der Antrieb nie zu einem „Perpetuum mobile" heranreift, denn die Energierückgewinnung wird niemals 100% erreichen! Bei einem realen Energieverlust von 10%–20% genügt schon ein kleines Stromaggregat, um die Energiebilanz der Akkus auszugleichen. Denn: die Fortbewegung von mw erfolgt durch die Einwirkung der Zentrifugal- und Zentripetalkraft von mp in dieselbe Richtung, wobei durch die Energierückgewinnung die Zentripetalkraft hervorgerufen wird.

Die in der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass für universelle Fahrzeuge zu Land und zu Wasser ein Antrieb genügt, der darüber hinaus, durch die Energierückgewinnung äußerst sparsam im Energieverbrauch ist. Denn, je effizienter die Energierückgewinnung ist, umso geringer ist der Nachladebedarf. Ein kleines handelsübliches Stromaggregat genügt um den Energieverlust zu ergänzen. Drei Liter Kraftstoff auf 100 km sind hier Verschwendung, denn das 0,3 Liter Verbrauchsfahrzeug ist die Herausforderung. Die Räder am Fahrzeug dienen nur der Sparhaltung und der Steuerung, sowie den auftretenden Querkräften, die beim Beschleunigen und Verzögern der Masse mp entstehen. Eine Beschleunigung von mw, wonach der Weg 2rw/P, von Impuls zu Impuls größer wird, ist nach vorheriger Formel 2rp mp/mw = 2rw/P, nicht möglich und würde auch dem Energieerhaltungsgesetz widersprechen. Eine Beschleunigung von mw erfolgt durch eine Vergrößerung der Impulszahl pro Sekunde (Pn/sek). Der größte Vorteil des Antriebs besteht im sparsamen Umgang mit der Energie, hauptsächlich des Wassertransportwesens Hier können Windrotoren den Energieverlust ausgleichen, was einen Transport zum Nulltarif gleichkommt.

Die Symbiose aus der Fortbewegung durch die Zentripetalkraft mit Energierückgewinnung, und der Fortbewegung durch die Zentrifugalkraft in dieselbe Richtung, ermöglicht ein unabhängiges und sparsames Fortkommen eines Fahrzeuges.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

1; Die Kreisbahn mw mit der Masse mp. Der Elektromotor beschleunigt mp mit der Geschwindigkeit vp im Uhrzeigersinn um 180 Grad, die Kreisbahn mw, die ohne Fahrzeug dargestellt ist, legt den Weg 2rw zurück.

2; mp ist am vorderen Wendepunkt angelangt, von hier wird mp verzögert. Die Verzögerung leitet der Generator ein, wobei die kinetische Energie von mp zurückgewonnen wird. Der Mittelpunkt der Kreisbahn legt wiederum, durch die einwirkende Zentripetalkraft, den Weg 2 rw zurück. Die Verzögerung ist am hinteren Wendepunkt beendet und der Kreislauf wiederholt sich. Das Verhältnis der Masse mp zur Masse mw wird durch den Weg 2rw dargelegt. Die Geschwindigkeit vw ist nicht mit der Geschwindigkeit vw/P zu verwechseln. vw/P = 2rw Pn/sek.


Anspruch[de]
Antrieb, der ohne Kontakt zum Untergrund Fahrzeuge fortbewegt, insbesondere durch den direkten Impulsaustausch einer Masse, die auf einer horizontalen Kreisbahn im Fahrzeug rotiert, wobei die kinetische Energie, innerhalb des Systems, zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugalkraft beim Beschleunigen der Akkus als schwere Masse, sowie die Zentripetalkraft beim Verzögern der Akkumasse in dieselbe Richtung wirken, wobei die kinetische Energie beim Verzögern größtenteils zurückgewonnen wird. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung und die Verzögerung der Akkumasse durch einen Elektromotor, der zentral in der Kreisbahn mit dem Fahrzeug verbunden ist, erfolgt, wobei er im Schubbetrieb als Generator arbeitet. Antrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung der schweren Masse vom Heckwendepunkt nach 180° beim Frontwendepunkt beendet wird, wobei die Fliehkraft das Fahrzeug weiterbewegt. Antrieb nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse in derselben Zeit und im 180°-Winkel verzögert wird, in der Beschleunigungszeit erfolgte, wobei die auftretende Zentripetalkraft ebenfalls in Fahrtrichtung wirkt und das Fahrzeug weiterbewegt. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeuges von der Impulszahl pro sec. abhängt, eine Veränderung der Geschwindigkeit erfordert eine Zu- oder Abnahme der Geschwindigkeit. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine 180 Grad Verlagerung der Umkehrwendepunkte, der Antrieb entgegen der Fahrtrichtung wirkt. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigung oder Verzögerung der Masse über, oder unter der 180 Gradwendepunktmarke, eine Richtungsänderung des Antriebs aufs Fahrzeug bewirkt. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumasse durch andere schwere Elemente ersetzt werden kann. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kreisbahn im Parallelbetrieb, aber entgegengesetzt der Kreisbahn, die seitlichen Querkräfte aufhebt. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Computersoftware des Impulsaustauschantriebs mit Energierückgewinnung, die sich auf einen, oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 9 bezieht, als Patentanspruch geltend gemacht wird.






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