전기화학적 이산화탄소($\text{CO}_2$) 환원 Cu 나노촉매 $\text{C}_2\text{H}_4$ 고선택성 & 1,000Hz 0-Alloc C# 활성 산화수($\text{Cu}^+$) 보존 펄스 전위 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.Electrochemistry
{
    /// 

    /// 1,000Hz CO2 환원 Cu 나노촉매 Cu+ 산화수 보존 및 펄스 전위 서보 제어기
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct CopperCatalystPulseServo
    {
        // 전기화학 물리 상수
        private const float FaradayConstant = 96485.3f;
        private const float GasConstant = 8.314f;
        private const float TempKelvin = 298.15f;
        private const float CathodicPotentialVRhe = -1.15f;   // 환원 구동 전위 (-1.15V)
        private const float AnodicPotentialVRhe = 0.55f;       // 산화 재생 전위 (+0.55V)
        private const float SolutionResistanceOhm = 4.2f;      // 전해액 저항 R_s

        // 서보 제어 상태
        public float TargetElectrodePotentialV;
        public float MeasuredCurrentDensityMaCm2;
        public float EstimatedCuPlusRatio;                   // 0.0 ~ 1.0 (Cu+ 활성종 비율)
        public float EthyleneFaradaicEfficiencyPercent;
        public int PulseCycleCounterMs;
        public int CathodeDurationMs;
        public int AnodeDurationMs;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            TargetElectrodePotentialV = CathodicPotentialVRhe;
            MeasuredCurrentDensityMaCm2 = 120.0f;
            EstimatedCuPlusRatio = 0.45f;
            EthyleneFaradaicEfficiencyPercent = 68.0f;
            PulseCycleCounterMs = 0;
            CathodeDurationMs = 900; // 900ms 환원
            AnodeDurationMs = 100;   // 100ms 산화 재생
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: DEMS 가스 분압 및 과전압 센싱 기반 펄스 전위 출력 및 계면 Cu+ 산화수 제어
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepPulseControl(
            float rawCurrentDensityMaCm2, 
            float ethyleneToMethaneRatio, 
            float referenceElectrodeVoltageV,
            out float dacCommandedVoltageV, 
            out float currentFeC2H4, 
            out bool isAnodicPhase)
        {
            MeasuredCurrentDensityMaCm2 = rawCurrentDensityMaCm2;
            PulseCycleCounterMs++;

            int totalPeriodMs = CathodeDurationMs + AnodeDurationMs;
            int phaseTime = PulseCycleCounterMs % totalPeriodMs;

            // 1. 펄스 위상 결정 및 Cu+ 산화수 진화 모델링
            if (phaseTime < CathodeDurationMs)
            {
                // 환원 위상 (Cathodic Phase): CO2 -> C2H4 반응 진행, Cu+ 점진적 환원 감소
                isAnodicPhase = false;
                TargetElectrodePotentialV = CathodicPotentialVRhe;
                EstimatedCuPlusRatio = MathF.Max(0.05f, EstimatedCuPlusRatio - 0.0004f);
            }
            else
            {
                // 산화 재생 위상 (Anodic Phase): 나노표면 재산화 및 Cu+ 활성점 급속 복원
                isAnodicPhase = true;
                TargetElectrodePotentialV = AnodicPotentialVRhe;
                EstimatedCuPlusRatio = MathF.Min(0.60f, EstimatedCuPlusRatio + 0.0040f);
            }

            // 2. 에틸렌/메탄 분압비에 따른 에틸렌 패러데이 효율(FE) 추정
            // Cu+ 비율이 높을수록 C-C 결합 촉진으로 C2H4 선택도 상승
            EthyleneFaradaicEfficiencyPercent = 40.0f + 50.0f * EstimatedCuPlusRatio;
            EthyleneFaradaicEfficiencyPercent = MathF.Min(82.0f, EthyleneFaradaicEfficiencyPercent);

            // 3. 온라인 가스 분석 피드백: 메탄 발생 증가 시(Cu+ 부족) 산화 시간 듀티 증가
            if (ethyleneToMethaneRatio < 3.0f && AnodeDurationMs < 200)
            {
                AnodeDurationMs += 1;
                CathodeDurationMs -= 1;
            }
            else if (ethyleneToMethaneRatio > 6.0f && AnodeDurationMs > 50)
            {
                AnodeDurationMs -= 1;
                CathodeDurationMs += 1;
            }

            // 4. 1,000Hz 정밀 iR-강하 보정 출력 전압 산출
            // V_cell = V_cathode + i * R_s
            float currentAmps = MeasuredCurrentDensityMaCm2 * 0.001f * 5.0f; // 전극 면적 5cm^2 가정
            float irDropV = currentAmps * SolutionResistanceOhm;

            if (isAnodicPhase)
            {
                dacCommandedVoltageV = TargetElectrodePotentialV + irDropV;
            }
            else
            {
                dacCommandedVoltageV = TargetElectrodePotentialV - irDropV;
            }

            currentFeC2H4 = EthyleneFaradaicEfficiencyPercent;
        }
    }
}