Altro che fantascienza, Mark Watney non ha fatto nulla di impossibile coltivando patate su Marte. Parola dell’International Potato Center (CIP), che negli ultimi mesi ha condotto prove rigorose il cui esito è incoraggiante: le patate possono crescere su Marte. Se ricordate vi avevamo parlato del progetto a fine 2015; nel frattempo sono stati portati avanti i test e il 14 febbraio 2016 è partita la seconda fase della sperimentazione, in cui una patata è stata piantata all’interno di un CubeSat costruito appositamente dagli ingegneri della University of Engineering and Technology (UTEC) sulla base dei parametri forniti dall’Ames Research Center della NASA. Ebbene i risultati preliminari sono positivi.
Julio Valdivia-Silva, ricercatore associato presso l’Istituto SETI, che ha lavorato presso l’Ames Research Center della NASA e ora lavora presso l’UTEC, ha spiegato che “se i raccolti possono tollerare le condizioni estreme a cui sono esposti all’interno del CubeSat, significa che hanno una buona possibilità di poter crescere su Marte. Faremo diversi cicli di esperimenti per scoprire quale varietà di patata è più adatta e per capire quali sono le condizioni minime di cui una patata abbisogna per sopravvivere”.
Ricordiamo che i CubeSat sono dei mini satelliti tipicamente di forma cubica. In quello costruito per gli esperimenti con i tuberi è stato inserito all’interno solo un recipiente contenente terreno e la patata. L’ambiente è ermetico, e un sistema automatico eroga acqua ricca di sostanze nutritive, controlla la temperatura, imita la pressione dell’aria marziana, monitora i livelli di ossigeno e di anidride carbonica. Il sistema trasmette le informazioni in tempo reale e calcola inoltre le previsioni della germinazione delle patate.
Il presupposto di partenza è che le patate beneficiano di una grande capacità genetica di adattamento agli ambienti estremi, e per gli esperimenti CIP ha sfruttato dei cloni capaci di tollerare condizioni come la salinità del suolo e la siccità. Il terreno selezionato è stato quello del deserto de Pampas de La Joya nel Perù meridionale, che è molto asciutto e quindi più simile alle condizioni di Marte.
Se qualcuno si sta interrogando sull’opportunità di investire in una ricerca di questo tipo, è bene specificare che i test porteranno dei benefici direttamente qui sulla Terra, perché aiuteranno le popolazioni che vivono nei luoghi più aridi e inospitali a trovare i prodotti giusti da poter coltivare.
Oltre agli aspetti pratici del viaggio e della permanenza su Marte, ci sono una serie di inconvenienti ed effetti collaterali che non sono tangibili o palesemente visibili a occhio nudo, ma che possono avere conseguenze molto pesanti nel tempo. Ci riferiamo ai problemi di salute.
Nel primo episodio di questa serie abbiamo descritto per sommi capi il problema delle radiazioni e ricapitolato velocemente le potenziali conseguenze sulla salute: si va da effetti transitori come un maggiore rischio di malattie cardiovascolari, l’induzione di cataratta, ansia, depressione, disturbi alla memoria e possibilità di danni al sistema nervoso centrale che possono persistere anche a lungo dopo la conclusione del viaggio, per arrivare a danni permanenti come un aumentato rischio a lungo termine di contrarre il cancro, danni genetici, e persino la morte.
Come abbiamo visto quello delle radiazioni è un leitmotiv che fa da comunque denominatore a qualsiasi aspetto della colonizzazione marziana si vada ad esaminare, per questo ha un’importanza indiscutibilmente prioritaria. Come se non bastasse non è l’unica possibile minaccia per la salute.
Partiamo dal viaggio. Abbiamo visto nella scorsa puntata quanto potrebbe durare e come potrebbero essere le navicelle spaziali. Non è solo una questione meramente ingegneristica, perché la scelta che alla fine verrà adottata avrà un impatto non indifferente sulla salute degli astronauti.
Problemi psicologici
Sotto l’aspetto psicologico, restare confinati per mesi in uno spazio ristretto con poche persone può essere deleterio per la salute mentale. Le agenzie spaziali effettuano severe selezioni del personale, che mirano a scegliere persone pazienti e portate per il lavoro di gruppo. Ma questo non basta.
È stato evidente quando fra il 2007 e il 2011 si svolse in Russia la simulazione Mars500 che coinvolse sei persone scelte dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e da quella russa Roscosmos. Restarono chiuse per 520 giorni in un simulatore di pochi metri quadrati, con l’obiettivo di raccogliere informazioni utili in caso di una missione marziana, sotto il profilo biomedico e psicologico. Fra gli aspetti monitorati vi furono stress, valori ormonali, risposte del sistema immunitario, qualità del sonno, umore.
Durante il suo svolgimento i partecipanti dovevano simulare davvero quello che avrebbe fatto un equipaggio verso Marte: comunicazioni limitate con le persone a Terra, solo via computer e con consistente ritardo nelle comunicazioni, comunicazione con il Controllo di Terra, svolgimento di attività quali esperimenti e monitoraggio dell’habitat. Inoltre monitoraggio e diagnostica della salute. Anche la scelta dell’equipaggio non era causale: tutti ingegneri, medici, biologi; insomma figure professionali che ritroviamo sulla ISS e che verrebbero verosimilmente inviate su Marte.
Stando a quanto pubblicato da Proceedings of the National Acedemy of Sciences, alla fine del test la maggior parte dei partecipanti mostrava uno o più disturbi di qualità del sonno, deficit di vigilanza, tempistiche alterate della periodicità sonno-veglia, suggerendo un inadeguato svolgimento del ritmo circadiano. Questo indica che prima di tutto gli equipaggi che andranno su Marte, sia durante il viaggio sia nella permanenza in una base sul Pianeta Rosso avranno bisogno di essere esposti alla luce per una quantità appropriata di tempo ogni giorno, dovranno assumere cibo in orari ben definiti e fare esercizio fisico in modo da mantenere una scansione temporale dei comportamenti umani simile a quella sulla Terra.
A parte le simulazioni come quella di Mars500, ci sono da tempo studi in corso sulla ISS, che è il banco di prova più veritiero possibile. Emblematica la missione di 340 giorni consecutivi dell’astronauta statunitense Scott Kelly, che ha lasciato a Terra il suo fratello gemello. Un caso rarissimo che ha permesso di verificare i cambiamenti fisici che intercorrono passando così tanto tempo in condizioni di microgravità. Per questo progetto la NASA ha stanziato 1,5 milioni dollari, e i gemelli si sono sottoposti a dieci studi differenti relativi (fra le altre cose) ai cambiamenti che intercorrono al codice genetico degli astronauti (genoma), a quelli relativi al DNA e all’attività RNA. Erano incluse anche verifiche sul ritmo cicardiano.
Problemi fisici
Oltre ai problemi psicologici ci sono però effetti collaterali anche importanti sotto l’aspetto fisico da considerare. Sempre lasciando da parte la questione delle radiazioni di cui abbiamo già discusso, un primo problema riguarda la densità ossea: secondo gli studi finora condotti dalla NASA gli astronauti possono perdere fino al 2 percento al mese della loro densità ossea, ossia più di due volte quello che l’adulto medio perde ogni anno. Le cause sono principalmente la mancanza di peso che le ossa devono sopportare e il modo differente in cui il corpo svolge i processi di assimilazione del calcio.
L’altro disturbo comune fra gli astronauti è l’indolenzimento muscolare, dovuto al fatto che i muscoli non vengono sollecitati come quando si è sulla Terra. Ecco il motivo per cui gli astronauti devono seguire un programma di allenamenti durante la permanenza fuori dalla Terra. Quando un giornalista ha chiesto a Kelly “quali muscoli o gruppi muscolari fanno male? [dopo il rientro a Terra]” lui ha risposto “tutti”.
Mediante gli studi sugli astronauti è stato rilevato anche un aumentato rischio di calcoli renali, e una diminuzione del volume del cuore correlata alla variazione dei flussi ematici. In condizioni di microgravità infatti i fluidi all’interno del nostro corpo si comportano in maniera differente che sulla Terra, e – fra le altre cose – si genera anche una maggiore pressione intracranica. Questo porta a disturbi della vista.
Altro punto è quello che riguarda la risposta immunitaria del nostro organismo, che per motivi non ancora chiariti non risponde bene nello Spazio come quando siamo sulla Terra. Questa significa un maggiore rischio di contrarre malattie.
Dottor McCoy ci pensi lei
Sia durante il viaggio, sia una volta arrivati su Marte, la salute degli astronauti dovrà essere costantemente monitorata. A questo proposito molte aziende (anche italiane) stanno sviluppando macchinari appositamente pensati per questo scopo, che vengono testati sulla ISS, e poi saranno valutati per l’eventuale equipaggiamento della futura missione marziana.
Non solo: saranno necessarie tecnologie di telemedicina per guidare gli astronauti a distanza in eventuali interventi di emergenza, e a questo proposito sarà probabilmente importante l’uso di tecnologie di realtà aumentata per agevolare sia gli astronauti sia i medici a supporto da Terra. Ecco perché, per esempio, sono approdati sulla ISS due visori per la realtà aumentata HoloLens, grazie ai quali (le sperimentazioni sono in corso) gli astronauti e il personale a Terra potranno vedere la stessa cosa.
Questo non escluderà l’eventuale presenza di un medico di bordo, ma difficilmente potrà avere la specializzazione in tutte le branche della medicina e della chirurgia, per questo il supporto degli specialisti da Terra sarà fondamentale.
Alimentazione
Quando ci si prepara per una lunga camminata, portare con sé alimenti energetici che supportino il fisico durante una fatica prolungata è la chiave per il successo dell’escursione. Lo stesso vale per gli astronauti in missione di lunga durata. La ricerca Energy misura il fabbisogno energetico di un astronauta durante i voli spaziali a lungo termine, che è un fattore indispensabile per la corretta quantità e tipologia di cibo da dare in dotazione agli equipaggi.
In prima fila nella produzione di cibo per gli astronauti è l’italiana Argotec, che ha preparato i cibi per gli astronauti italiani che sono stati sulla ISS e che a suo tempo ci aveva fatto anche assaggiare qualche piatto. Se questo aspetto vi interessa, vi consigliamo di leggere il nostro articolo Il cibo spaziale vero è buonissimo, ecco la prova! in cui oltre alle nostre impressioni sul gusto trovate anche l’intervista con lo chef Stefano Polato di Argotec che ci ha spiegato i retroscena, ossia come vengono preparati i cibi per gli astronauti, che differenze ci sono con quelli che abbiamo assaggiato noi e altre curiosità.
L’ipotesi dell’ibernazione
I problemi relativi alla salute e all’alimentazione durante il viaggio potrebbero essere facilmente accantonati se gli astronauti passassero la maggior parte del tempo in ibernazione. Basterebbero astronavi più piccole, in cui stipare non solo meno provviste, ma anche meno attrezzature. L’idea dell’ibernazione mira quindi al contenimento dei costi delle missioni umane, oltre che a rendere il viaggio verso il Pianeta Rosso più sicuro e meno faticoso per gli equipaggi.
Per ora si parla solo di studi, che ipotizzano di abbassare la temperatura corporea degli astronauti di circa 5 gradi Celsius, in modo da indurre una “ibernazione” che abbassa il metabolismo dei membri dell’equipaggio “dal 50 al 70 per cento”. Secondo John Bradford, Presidente e Chief Operating Official di SpaceWorks, questo sarebbe l’unico modo “per inviare centinaia di persone su Marte”.
Il problema è che al momento la cosiddetta ipotermia preventiva è una pratica comune negli ospedali come modo per aiutare le persone a recuperare da lesioni traumatiche, tuttavia i pazienti vengono sottoposti a questo tipo di trattamento solo per pochi giorni, e attualmente non sappiamo quali potrebbero essere le conseguenze di un’ibernazione prolungata.
Gravità su Marte
Fin qui abbiamo parlato per lo più del viaggio. Il fatto è che non sappiamo esattamente che cosa troveremo davvero quando atterreremo su Marte. Molto dipenderà dagli habitat che verranno sviluppati, e che come vedremo in una delle prossime puntate sono tutto fuorché pronti.
L’unico punto fermo è che su Marte la gravità è solo una frazione di quella che c’è qui sulla Terra. Gli scienziati hanno calcolato la gravità di Marte sulla base della Teoria della Gravitazione Universale di Newton, in cui si afferma che la forza gravitazionale esercitata da un oggetto è proporzionale alla sua massa. Marte ha solo la metà del diametro della Terra e una minore densità (circa il 15% del volume della Terra e l’11% della sua massa).
Quando la teoria viene applicata a un corpo sferico come un pianeta con una data massa, la gravità superficiale sarà (approssimativamente) inversamente proporzionale al quadrato del suo raggio. Se applicata a un corpo sferico con una densità media, sarà approssimativamente proporzionale al suo raggio.
Il concetto può essere espresso dalla formula g = m / r 2, dove “g” è la densità superficiale di Marte (espressa come multiplo della Terra , che è 9,8 m / s²), “m” è la massa – espressa come multiplo della massa della Terra (5.976 · 1024 kg) – e “r” il raggio, espresso come multiplo del raggio terrestre medio (6371 chilometri).
Per esempio, Marte ha una massa di 6,4171 x 1023 kg, che è 0,107 volte la massa della Terra. Ha anche un raggio medio di 3,389.5 km, 0,532 del raggio terrestre medio. La gravità sulla superficie di Marte può quindi essere espressa matematicamente come: 0,107 / 0.532², da cui si ricava il valore di 0,376. Sulla base della gravità sulla superficie della Terra, corrisponde a un’accelerazione di 3,711 m/s2.
Attualmente non è noto quali siano esattamente gli effetti sul corpo umano dell’esposizione a lungo termine a questo tipo di gravità. Le ricerche condotte e in corso tuttora sugli astronauti che vivono per mesi in condizioni di microgravità hanno dimostrato gli effetti negativi che abbiamo già evidenziato: perdita di massa muscolare e di densità ossea, impatto su alcuni organi, fra cui la vista.
E non è tutto. È da tenere conto che la pressione atmosferica su Marte è una piccola frazione di quella sulla Terra – una media di 7,5 millibar su Marte, contro poco più di 1000 millibar qui sulla Terra. La temperatura media della superficie marziana è bassa: -63° C rispetto ai 14° C della Terra. Calcolate poi che la lunghezza di un giorno marziano è all’incirca la stessa della Terra (24 ore e 37 minuti), ma la lunghezza di un anno marziano è significativamente maggiore (687 giorni).
Il documento conclusivo con i test della NASA sul motore a propulsione elettromagnetica ha superato il processo di peer-review ed è stato pubblicato su Aerospace Research Central. I contenuti confermano quanto già anticipato poco tempo fa: l’EM Drive funzionare davvero ed è capace di fornire una spinta nel vuoto degna di nota.
Però non siamo di fronte alla soluzione definitiva del mistero: saranno necessarie ulteriori ricerche, e soprattutto non c’è una risposta chiara e univoca alla domanda più importante: visto che il suo principio di funzionamento contrasta palesemente con la terza legge del moto di Newton, qual è la legge fisica che governa questo motore?
Andando per ordine, era noto da mesi che presso l’Eaglework Laboratory della NASA erano in corso test finalizzati a confermare o smentire la validità di indagini precedenti e dei loro risultati. Alcuni leak avevano anticipato le conclusioni, che sono confermate: l’EM Drive sarebbe in grado di generare una spinta nel vuoto con un rapporto di potenza di 1,2 ± 0,1 millinewton per kilowatt.
La novità è che adesso le conclusioni dello studio sono disponibili, in un documento ufficiale che ha passato il vaglio di scienziati non direttamente coinvolti nel test, e che hanno confermato la validità delle conclusioni rispetto al protocollo. Questo non significa che le conclusioni in sé siano valide in senso assoluto, ma che il protocollo seguito per condurre i test è stato in prima battuta valutato positivamente.
Sembra un dettaglio di poco conto, in realtà in questo caso è fondamentale perché negli esperimenti precedenti la critica mossa dalla comunità scientifica verteva sempre sul fatto che l’effetto di propulsione osservato fosse frutto di un errore sperimentale. Il fatto che il principio di funzionamento dell’EM Drive non sia compatibile con la terza legge del moto di Newton (per ogni azione esiste una reazione uguale e contraria), che è una delle leggi fondamentali della Fisica, non smorza lo scetticismo, anzi. E questo è un bene perché come ci ha ricordato spesso Valerio Rossi Albertini del CNR, la Scienza procede per accumulazione, ed essere scettici è essenziale per fare progressi concreti.
Presumibilmente saranno in molti a passare al setaccio il documento conclusivo, e non mancheranno reazioni sia favorevoli sia contrarie. Insomma adesso inizia il bello, restate sintonizzati.
L’esplorazione di Marte prosegue da cinquant’anni e finora è avvenuta esclusivamente con i robot, o meglio con sonde in orbita attorno al pianeta e rover su ruote che sgommano sulla sua superficie rocciosa. In futuro, forse anche prima dell’arrivo dell’uomo, potrebbe non essere più così, perché già molti scienziati stanno studiando opzioni alternative per muoversi da un punto “A” a un punto “B” su Marte.
Le soluzioni su ruote infatti sono le più sperimentate, ma non significa necessariamente che siano le più pratiche in tutte le situazioni. Vediamo insieme alcune delle alternative finora prospettate, fra cui alcune davvero originali.
L’elicottero robot
Un elicottero robot (Mars Helicopter) potrebbe triplicare le distanze che sono in grado di percorrere i rover su Marte e contribuire a individuare obiettivi interessanti da studiare. Partendo da questa idea la NASA ha iniziato a progettare un elicottero drone capace di volare a bassa quota, per fare ricognizioni a supporto dei rover. Secondo i progetti pesa 1 chilogrammo, ha eliche che misurano poco più di un metro, pannelli solari per l’alimentazione e dovrebbe volare per 2 o 3 minuti al giorno esplorando mezzo chilometro o poco più. Per ora si tratta di un progetto sulla carta per il quale non ci sono ancora piani concreti di realizzazione, ma l’idea è interessante.
I droni marziani
Gli ingegneri del Kennedy Space Center della NASA hanno progettato un quadricottero che dovrebbe essere in grado di volare autonomamente su Marte. Si tratta di un veicolo veloce e flessibile, capace di raggiungere luoghi inaccessibili ad altri robot su Marte, e con le attrezzature idonee per raccogliere campioni di terreno (circa 7 grammi). Dovrebbe fare la spola da e verso un’astronave madre, presso la quale ricaricherebbe anche le batterie. Il prototipo è stato battezzato Extreme Access Flyer, dovrebbe funzionare anche al buio. Secondo gli ideatori questa è una soluzione interessante non solo per Marte, ma anche per la Luna, gli asteroidi e in generale tutte le situazioni extraterrestri in cui è necessario individuare delle risorse per poterle sfruttare.
L’entomottero
Per quanto ne sappiamo, gli astronauti che sbarcheranno su Marte non saranno infastiditi dagli insetti. Almeno quelli che madre natura crea. In compenso potrebbero essere circondati da entomotteri,insetti robot creati prendendo spunto dai meccanismi di volo degli insetti terrestri. L’idea è venuta a Anthony Colozza e al suo gruppo di lavoro all’Ohio Aerospace Institute di Cleveland, dietro finanziamento dell’Institute for Advanced Concepts della NASA.
Il presupposto di partenza è stato che elicotteri e aerei convenzionali avrebbero serie difficoltà di manovra nella sottile atmosfera di Marte, cosa che non accadrebbe se le ali si “agitassero” rapidamente. Con questa soluzione oltre tutto non ci sarebbero i problemi di decollo e atterraggio che invece sono dati per certi. Gli entomotteri invece potrebbero volare lentamente, decollare, atterrare e persino strisciare su Marte per raccogliere campioni. Come per i droni basterebbe poi farli tornare alla base per ricaricarli e scaricare i campioni. L’idea è interessante, guardate il video all’inizio del paragrafo.
Il disco volante
Fra i vari progetti NASA che sono arrivati alla ribalta delle cronache c’è anche il Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD), soprannominato spesso il “disco volante” per via del suo aspetto. Si tratta di un velivolo sperimentale che potrebbe essere impiegato per trasportare oggetti (compresi i rover) e altre apparecchiature pesanti sulla superficie di Marte. In futuro la stessa tecnologia potrebbe essere sfruttata per rifornire un insediamento umano su Marte. La NASA evidentemente crede più a questo progetto che ad altri, dato che ha realizzato un prototipo e ha avviato i primi test con un lancio da 180.000 piedi con velocità Mach 4.
Il boomerang
Si chiama Prandtl-m (Preliminary Research Aerodynamic Design to Land on Mars) un altro prototipo di un aliante marziano, che ha l’aspetto di un boomerang. È in fase di studio all’Armstrong Flight Research Center della NASA, che ha preso ispirazione dal volo planare degli uccelli e da un concept sviluppato circa un secolo fa dall’ingegnere tedesco Ludwig Prandtl, da cui prende il nome.
Ufficialmente è un prototipo di drone a vela, e ha affrontato il primo test, quando ha spiccato il volo da una mongolfiera. Realizzato in materiale composito di fibra di vetro o fibra di carbonio, ha un’apertura alare di 60 centimetri circa e un peso inferiore a un chilo. Potrebbe sbarcare su Marte con la missione Mars 2020, alloggiato all’interno di un CubeSat e senza alzare il costo della missione.
Mini-Sniffer, il modellino pighevole
Probabilmente questo prototipo non si alzerà mai in volo su Marte, ma è interessante dargli un’occhiata per capire da dove partono i progetti per Marte e i progressi che hanno fatto finora. Il Mini-Sniffer si rifà a un brevetto depositato da Dale Reed nel 1977, quando era ricercatore presso il Dryden Flight Research Center della NASA, e riguardava proprio un aereo per Marte.
Si tratta di una soluzione pieghevole che la NASA ha realizzato davvero in tre versioni, tutte destinate al volo terrestre per la raccolta di dati sull’inquinamento.
ARES Mars, finalmente un aereo
I ricercatori del Langley Research Center della NASA hanno realizzato ARES (Aerial Regional-scale Environmental Surveyor) il prototipo di un aereo a razzo che potrebbe rappresentare la soluzione ai problemi del volo nella sottile atmosfera di Marte. Stando alle informazioni ARES potrebbe volare sopra alle montagne e ai crateri marziani, raggiungendo siti preclusi ai rover su ruote. Il prototipo è già stato testato e i suoi ideatori sperano di poterlo spedire sul Pianeta Rosso con il programma Mars Scout della NASA.
Una palla che rotola
Una soluzione fuori dagli schemi per esplorare Marte potrebbe essere di posare sulla superficie qualcosa di simile a una grande palla gonfiabile da spiaggia, e lasciare che il vento la faccia rotolare in giro. Certo non potremmo decidere il percorso da fargli seguire, o il punto di arrivo, però non avrebbe bisogno di motori, e sarebbe leggero da spedire (quindi poco costoso).
Dentro al “pallone gonfiato” sarebbero fissati gli strumenti scientifici per le misurazioni, e in caso fosse necessaria una sosta per indagini approfondite basterebbe sgonfiare un po’ il pallone. L’idea è senza dubbio originale e sono già stati condotti i test sulla Terra. Chissà se lo vedremo mai su Marte.
Robot saltellanti
Un giorno i robot su Marte potrebbero spostarsi da un posto all’altro saltando. I razzi che permetterebbero di spiccare i balzi potrebbero essere alimentati con i gas presenti nell’atmosfera marziana e i balzi potrebbero arrivare fino a 1 chilometro. Diversi gruppi di ricerca stanno valutando varie opzioni per alimentare il meccanismo di salto, fra cui gli isotopi radioattivi per comprimere il gas nei propulsori (un’idea inglese), l’energia solare per ricavare ossigeno e monossido di carbonio dall’anidride carbonica che abbonda nell’atmosfera marziana, l’energia elettrica da batterie ricaricabili secondo i cinesi, o polvere di magnesio come combustibile per i francesi. Insomma, qualunque sarà la soluzione, sembra che il salto in lungo sia destinato a diventare una specialità marziana.
Rover con le ruote
A questo punto vi sembrerà banale parlare di rover con le ruote, dato che sono senza dubbio una soluzione meno originale rispetto a quelle viste. Però al momento sono anche gli unici a funzionare, anche meglio del previsto se si considera che Opportunity avrebbe dovuto funzionare per 90 giorni invece è su Marte dal 2004 ed è ancora al lavoro.
Ricordiamo poi Curiosity (meglio conosciuto come Mars Science Laboratory) e Spirit, il gemello di Opportunity, con cui abbiamo perso i contatti nel 2010. I loro limiti riguardano l’usura delle ruote, la bassa velocità e l’incapacità di percorrere pendii scoscesi e terreni troppo accidentati.
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