탄소 포집 MOF 혼합기질막(MMM) 분자체 투과 & 1,000Hz 0-Alloc C# 용해도-확산 롭슨 상한선 시뮬레이션 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Education.StemChem.CarbonCaptureMembrane
{
    public readonly record struct MmmMembraneConfig(
        float MembraneThicknessMicrons, // 분리막 두께 (um, 예: 25.0)
        float MofVolumeFraction,        // MOF 나노입자 충진율 (0.0 ~ 0.35)
        float PolymerCo2Permeability,   // 고분자 CO2 투과도 (Barrer, 예: 100)
        float PolymerN2Permeability,    // 고분자 N2 투과도 (Barrer, 예: 3.3)
        float MofCo2Permeability,       // MOF CO2 투과도 (Barrer, 예: 1500)
        float MofN2Permeability,        // MOF N2 투과도 (Barrer, 예: 18.0)
        float FeedPressureBar,          // 공급측 전압 (bar, 예: 10.0)
        float FeedCo2MoleFraction       // 공급 기체 내 CO2 몰분율 (예: 0.15 for 연소가스)
    );

    public ref struct MembraneCaptureTelemetry
    {
        public float EffectiveCo2PermeabilityBarrer;
        public float EffectiveN2PermeabilityBarrer;
        public float EffectiveSelectivity;
        public float RobesonUpperBoundThreshold;
        public float RobesonRatioPercent;
        public float Co2FluxMolPerM2Second;
        public float PermeateCo2PurityPercent;
    }

    public static class MmmCarbonCaptureEngineCore
    {
        private const float BarrerToSiUnit = 3.348e-16f; // mol / (m * s * Pa)
        private const float BarToPascal = 100000.0f;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void CalculateMembraneSeparation(
            in MmmMembraneConfig config,
            ref MembraneCaptureTelemetry telemetry)
        {
            float phi = MathF.Min(0.40f, MathF.Max(0.0f, config.MofVolumeFraction));

            // 1. 맥스웰 모델로 CO2 유효 투과도 계산 (0-Alloc)
            float pc_co2 = config.PolymerCo2Permeability;
            float pd_co2 = config.MofCo2Permeability;
            float num_co2 = pd_co2 + 2.0f * pc_co2 - 2.0f * phi * (pc_co2 - pd_co2);
            float den_co2 = pd_co2 + 2.0f * pc_co2 + phi * (pc_co2 - pd_co2);
            float peff_co2 = pc_co2 * (num_co2 / den_co2);
            telemetry.EffectiveCo2PermeabilityBarrer = peff_co2;

            // 2. 맥스웰 모델로 N2 유효 투과도 계산
            float pc_n2 = config.PolymerN2Permeability;
            float pd_n2 = config.MofN2Permeability;
            float num_n2 = pd_n2 + 2.0f * pc_n2 - 2.0f * phi * (pc_n2 - pd_n2);
            float den_n2 = pd_n2 + 2.0f * pc_n2 + phi * (pc_n2 - pd_n2);
            float peff_n2 = pc_n2 * (num_n2 / den_n2);
            telemetry.EffectiveN2PermeabilityBarrer = peff_n2;

            // 3. 유효 선택도 계산
            float selectivity = peff_co2 / MathF.Max(0.001f, peff_n2);
            telemetry.EffectiveSelectivity = selectivity;

            // 4. Robeson 2008 상한선 계산: alpha = 5300 * P_CO2^(-0.2636)
            float robesonAlpha = 5300.0f * MathF.Pow(peff_co2, -0.2636f);
            telemetry.RobesonUpperBoundThreshold = robesonAlpha;
            telemetry.RobesonRatioPercent = (selectivity / robesonAlpha) * 100.0f;

            // 5. 투과 플럭스 및 순도 계산
            // 공급측 CO2 분압 - 투과측(진공 또는 대기압 0.1 bar 가정)
            float feedP_co2 = config.FeedPressureBar * config.FeedCo2MoleFraction * BarToPascal;
            float permP_co2 = 0.15f * BarToPascal; // 투과측 대기 분압 가정
            float deltaP_co2 = MathF.Max(100.0f, feedP_co2 - permP_co2);

            float thicknessM = config.MembraneThicknessMicrons * 1e-6f;
            float permCo2Si = peff_co2 * BarrerToSiUnit;
            float fluxCo2 = permCo2Si * (deltaP_co2 / thicknessM);
            telemetry.Co2FluxMolPerM2Second = fluxCo2;

            // 투과측 순도 계산 (단일단 평형)
            float feedP_n2 = config.FeedPressureBar * (1.0f - config.FeedCo2MoleFraction) * BarToPascal;
            float permN2Si = peff_n2 * BarrerToSiUnit;
            float fluxN2 = permN2Si * (MathF.Max(100.0f, feedP_n2 - 0.85f * BarToPascal) / thicknessM);

            float totalFlux = fluxCo2 + fluxN2;
            telemetry.PermeateCo2PurityPercent = (fluxCo2 / MathF.Max(1e-9f, totalFlux)) * 100.0f;
        }
    }
}