심해 열수구(Hydrothermal Vent) 초임계 광물 침전 & 1,000Hz 0-Alloc C# 지구화학 침전 열역학 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.GeochemicalThermodynamics
{
    /// <summary>
    /// 심해 열수 플룸 혼합 상태 센서 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct HydrothermalPlumeState
    {
        public double FluidTempCelsius { get; }     // 혼합 유체 온도 (deg C)
        public double PressureAtm { get; }          // 수심 정수압 (atm)
        public double PhValue { get; }              // 용액 pH
        public double IronConcentrationMolar { get; }// 철 이온 Fe2+ 몰농도 (mol/L)
        public double SulfideConcentrationMolar { get; }// 황화수소 H2S 몰농도 (mol/L)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public HydrothermalPlumeState(double temp, double p, double ph, double fe, double s)
        {
            FluidTempCelsius = temp;
            PressureAtm = p;
            PhValue = ph;
            IronConcentrationMolar = fe;
            SulfideConcentrationMolar = s;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 심해 광물 침전 열역학 및 굴뚝 성장 속도 엔진
    /// </summary>
    public ref struct HydrothermalMineralEngine
    {
        private double _accumulatedChimneyMassKg;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public HydrothermalMineralEngine(double initialMass)
        {
            _accumulatedChimneyMassKg = initialMass;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 포화 지수 SI 및 황화물 침전 질량 계산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in HydrothermalPlumeState state,
            out double saturationIndexPyrite,
            out double precipitationRateMolPerSec,
            out double instantaneousGrowthRateMmPerHr,
            out bool isActivelyPrecipitating)
        {
            const double dt = 0.001; // 1ms 타임스텝

            // 1. 온도에 따른 황화철(FeS) 용해도곱 log(K_sp) 근사 모델 (온도 하강 시 급감)
            // logK_sp ~ -3.5 - 0.025 * (T - 25)
            double logKsp = -3.5 - 0.025 * (state.FluidTempCelsius - 25.0);

            // 2. 이온 활동도 곱 log(IAP) 계산
            // pH = -log[H+] -> [H+] = 10^(-pH)
            double hPlus = Math.Pow(10.0, -state.PhValue);
            double hsMinus = state.SulfideConcentrationMolar * (1e-7 / (hPlus + 1e-7)); // 1차 해리 근사

            double iap = (state.IronConcentrationMolar * hsMinus) / Math.Max(1e-14, hPlus);
            double logIap = Math.Log10(Math.Max(1e-30, iap));

            // 3. 포화 지수 SI = log(IAP) - log(K_sp)
            saturationIndexPyrite = logIap - logKsp;

            if (saturationIndexPyrite > 0.0)
            {
                isActivelyPrecipitating = true;
                // 과포화 구동 침전 반응속도 (mol/s)
                double supersaturationRatio = Math.Pow(10.0, saturationIndexPyrite) - 1.0;
                precipitationRateMolPerSec = 0.005 * supersaturationRatio; // 단위 플룸 부피당
                
                // 황철석 밀도 5,000 kg/m^3, 몰질량 120 g/mol -> 두께 성장 속도
                instantaneousGrowthRateMmPerHr = precipitationRateMolPerSec * 0.120 * (3600.0 / 5.0);
            }
            else
            {
                isActivelyPrecipitating = false;
                precipitationRateMolPerSec = 0.0;
                instantaneousGrowthRateMmPerHr = 0.0;
            }

            // 누적 질량 적분
            _accumulatedChimneyMassKg += precipitationRateMolPerSec * 0.120 * dt;
        }
    }
}