OutdoorIngenuity

Es war Mitte Juni 2023. Mein Bruder und ich waren mit dem Long Trail von Williamstown aus gestartet und gerieten am vierten Tag in starken Regen. Wir machten uns auf den Weg zur Schutzhütte, schlugen unser Lager auf und aßen zu Abend. Mein Bruder hatte einen typischen tragbaren Gaskocher für Rucksacktouristen mit ausziehbaren Stützarmen dabei. Ich trug die zusätzlichen Gaskartuschen.

Wir zündeten den Gaskocher in der Nähe des Unterstands an, um uns vor dem vorherrschenden Wind zu schützen. Mein Bruder stellte seinen Stahlbecher darauf und füllte 1,5 Tassen Wasser ein – die Menge für eine MRE (Meal, Ready-to-Eat). Draußen waren es etwa 10 Grad Celsius, und die bläuliche Flamme flackerte im Wind unter dem Becher. Wir beobachteten den Becher im kalten Regen und warteten gespannt darauf, dass das Wasser kochte. Es schien eine Ewigkeit zu dauern, bis das Wasser schließlich sprudelnd kochte. Die Wartezeit für einen einzelnen Becher war an sich nicht so schlimm, aber ich musste den Kocher auch benutzen, um Wasser für meine eigene MRE zu kochen, nachdem seine fertig war. Das Problem war, dass der Gasbrenner nicht groß und effizient genug war, um unter diesen Bedingungen zwei Portionen gleichzeitig zu erhitzen. Außerdem bemerkte ich, dass bei Kälte viel Gas verschwendet wurde und ein Luftzug die Hitze vom Boden des Topfes oder Bechers weglenkte.

An trockenen Abenden, wenn das Wetter ideal für ein Lagerfeuer war, erhitzten wir unser Wasser über der Glut. Mir fiel auf, dass die direkte Wärmeübertragung von der Glut auf den Becher viel schneller war als über eine offene Gasflamme auf derselben Fläche. Daraufhin begann ich über andere Möglichkeiten der Wärmeübertragung nachzudenken, die den Prozess verbessern könnten, sowie über die verwendeten Töpfe und deren Materialien. Ein flacher Topf mit großem Boden wäre natürlich vorteilhaft für die Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit, doch das Seitenverhältnis einer großen, flachen Pfanne war beim Wandern unpraktisch, da sie sich nur schwer verstauen ließ. Viele der erhältlichen Campingbecher waren so konzipiert, dass sie mindestens anderthalb Tassen Wasser fassten und einen Innendurchmesser hatten, der groß genug war, um eine Gaskartusche aufzunehmen. Unterwegs beobachtete ich auch die Kocher und das Kochgeschirr der anderen Wanderer. Je nach Brenner und Bechertyp waren manche effizienter als andere. Ich sah viele der hochmodernen Campingbecher aus Titan, andere aus Edelstahl. Später stellte ich überrascht fest, dass Titan tatsächlich die schlechteste Wärmeleitfähigkeit besitzt. Tatsächlich leitet Titan Wärme nur etwa zwei Drittel so gut wie Edelstahl. Noch überraschender ist vielleicht, dass Aluminium, das in hochwertiger Trekkingausrüstung selten verwendet wird, die zehnfache Wärmeleitfähigkeit von Titan aufweist.
Diese Beobachtungen und persönlichen Campingerfahrungen führten im Jahr nach meiner Fernwanderung zur Entwicklung mehrerer Experimente. Ich formte und testete Gefäße unterschiedlicher Formen mit verschiedenen Wärmequellen, um eine bessere Lösung zu finden. Schnell erkannte ich, dass ein dünnwandiges Aluminiumgefäß mit verstärkter natürlicher Konvektion über eine große Oberfläche die Lösung war. Der Luftstrom musste so schnell wie möglich über die Heizfläche strömen, um die Konvektionswärmeübertragung optimal zu nutzen. Die Lösung bestand darin, etwas Ähnliches wie einen Abzug im Inneren eines Warmwasserbereiters zu integrieren. Zusätzlich musste die Form des Gefäßes die Aufbewahrung der Kocherkomponenten ermöglichen. Dies führte zum aktuellen Prototyp eines Heizgefäßes in Form eines Topfes mit ringförmigem Boden und einem mittig verlaufenden Abzug, in dem alle Kocherkomponenten Platz finden. Darüber hinaus wurde viel Forschung in die Entwicklung und Optimierung einer effizienten Festbrennstoffquelle investiert, die das Mitführen von Gaskartuschen überflüssig macht und ein umweltfreundlicheres Trekking-Erlebnis ohne fossile Brennstoffe ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung ist beim USPTO zum Patent angemeldet.

It was mid-June 2023. My brother and I had started the LT from Williamstown and by the 4th day we were in heavy rain. We proceeded to the shelter and decided to setup camp and have dinner. My brother had carried a typical backpackers' portable gas burner with the extendable support arms. I carried the extra gas fuel canisters.

We lit the the stove on the ground near the shelter to shield some of the prevailing wind. My brother placed his steel camp cup on top of it and added 1.5 cups of water needed for one MRE. It was approximately 50 degrees F outside and the bluish flame flickered in the breeze under the cup. We both watched the cup in the cold rain anticipating it boiling. We waited and waited what seemed an eternity, though it was probably about 5 minutes before it reached a rapid boil. The time it took to wait for a single camp cup to boil wasn't a show-stopper however I too needed to use the stove to boil water for my own MRE after his was done. The problem was that the gas burner wasn't large enough or efficient enough to heat two servings at once under those conditions. I also observed that it wasted a lot of gas when it was cold and there was a cross-draft misdirecting the heat away from the bottom of the pot or cup being heated.

Other nights when there was no rain and the conditions were favorable to enjoy a campfire, we were sure to heat our water over the hot coals. I noticed that the direct conduction of heat from hot coals to the cup was much faster than an open gas flame under the same surface. It was then that I began to think about the other means of heat transfer which were possible to enhance the process as well as the types of pots being used and their respective materials. Obviously a shallow pot with a large base would be beneficial in transferring heat to the liquid, however the aspect ratio of a large flat pan was impractical for backpacking since it wasn't easy to pack. Many of the camp cups available were designed with dimensions to hold at least a cup and a half of water and have an inside diameter large enough to be able to stow a gas canister. I also observed while on the trail, all the other backpackers' stoves and cookware. Some were more efficient than others depending on the burners and types of camp cups being used. I saw many of the cutting-edge camp cups where made of titanium, while others were made of stainless steel. Later, I was surprised to find that the thermal conductivity of titanium was actually the worst. In fact, titanium conducts heat at a rate of about two-thirds that of stainless steel. Perhaps more surprisingly, aluminum, which is seldom used in high-end backpacking equipment, has 10 times the thermal conductivity of titanium.
It was these observations and personal camping experiences which led to the development of a number of experiments the year following my thru-hike. I formed and tested multiple shaped vessels with different heat sources to find a better solution. I soon realized that a thin-walled aluminum vessel with enhanced natural convection across a large surface area was the solution. The airflow needed to be encouraged to flow at the highest rate possible across the heating surface to be able to take advantage of convection heat transfer. The solution was to implement something similar to that of a flue in the core of a hot water heater. Additionally, the shape of the vessel needed to accommodate the storage of the components comprising the stove. This led to the present prototype design of a heating vessel as usable pot having a toroidal shaped base and flue passing through its center such that all the stove components could be packed within it. Additionally, a great deal of research went into the development and optimization of an efficient solid fuel source which would eliminate the need to pack gas canisters while promoting a "greener" backpacking experience without the need for fossil fuels.

The present invention is patent pending with the USPTO.