Le forme tipiche di propulsione spaziale oggi sono i razzi a propellente solido, i razzi liquidi e i razzi ibridi. Tutti portano a bordo il loro carburante e usano l’energia chimica per produrre la spinta. Sfortunatamente, possono essere molto costosi: potrebbero essere necessari 25-200 chilogrammi di razzo per trasportare un carico utile di 1 kg nell’orbita terrestre bassa. Portare un kg in un’orbita terrestre bassa costa un minimo di $ 4,000 dollari USA (USD), a partire dal 2008. $ 10,000 USD potrebbe essere più tipico.
L’approccio del razzo chimico al lancio e al viaggio nello spazio è fondamentalmente limitato. Poiché un razzo deve spingere il proprio carburante verso l’alto attraverso la parte più densa dell’atmosfera, non è molto conveniente. Un’invenzione più recente è la navicella spaziale privata SpaceShipOne, che utilizzava un veicolo da trasporto (White Knight) per trasportarla a un’altitudine di 14 km (8.7 mi) prima del lancio. A questa altezza, maggiore in altitudine di Mt. Everest, SpaceShipOne è già al di sopra del 90% dell’atmosfera ed è in grado di utilizzare il suo piccolo motore ibrido per viaggiare fino al confine dello spazio (100 km di altitudine). È probabile che i primi veicoli spaziali turistici, economici e riutilizzabili, si basino su questo modello.
Oltre al paradigma del razzo chimico, sono state analizzate diverse altre forme di propulsione spaziale. I propulsori ionici, in particolare, sono già stati utilizzati con successo da diversi veicoli spaziali, tra cui Deep Space 1, che ha visitato la cometa Borrelly e l’asteroide Braille nel 2001. I propulsori ionici funzionano come un acceleratore di particelle, emettendo ioni dal retro del motore utilizzando un campo. Per viaggi più lunghi, come dalla Terra a Marte, i propulsori ionici offrono prestazioni migliori rispetto alle forme convenzionali di propulsione spaziale, ma solo di un piccolo margine.
Forme più avanzate di propulsione spaziale includono la propulsione nucleare a impulsi e altri approcci a propulsione nucleare. La densità di potenza di una centrale nucleare o di una bomba nucleare è molte volte maggiore di quella di qualsiasi fonte chimica e i razzi nucleari sarebbero di conseguenza più efficaci. Propulsione nucleare a impulsi che un progetto di riferimento degli anni ‘1960, chiamato Orion – da non confondere con l’Orion Crew Exploration Vehicle degli anni 2000 – che potrebbe trasportare un equipaggio di 200 persone su Marte e ritorno in sole quattro settimane, rispetto a 12 mesi per l’attuale missione di riferimento a propulsione chimica della NASA, o le lune di Saturno tra sette mesi.
Un altro progetto chiamato Project Daedalus avrebbe richiesto solo circa 50 anni per arrivare alla Stella di Bernard, a 6 anni luce di distanza, ma richiederebbe alcuni progressi tecnologici nell’area della fusione a confinamento inerziale (ICF). La maggior parte delle ricerche sulla propulsione nucleare a impulsi è stata annullata a causa del Trattato sul divieto parziale dei test nel 1965, sebbene l’idea abbia ricevuto una rinnovata attenzione negli ultimi tempi.
Un’altra forma di propulsione spaziale, le vele solari, è stata esaminata in dettaglio negli anni ‘1980 e ‘1990. Le vele solari userebbero una vela riflettente per accelerare il carico utile usando la pressione di radiazione del sole. Non trasportando massa di reazione, le vele solari potrebbero essere l’ideale per viaggiare velocemente lontano dal Sole. Sebbene le vele solari possano richiedere settimane o mesi per accelerare a una velocità apprezzabile, questo processo potrebbe essere superato utilizzando laser terrestri o spaziali per dirigere le radiazioni sulla vela. Sfortunatamente, la tecnologia per piegare e dispiegare una vela solare estremamente sottile non è ancora disponibile, quindi la costruzione potrebbe dover avvenire nello spazio, complicando notevolmente le cose.
Un’altra forma più futuristica di propulsione spaziale sarebbe quella di utilizzare l’antimateria come combustibile per la propulsione, come alcune astronavi nella fantascienza. Oggi l’antimateria è la sostanza più costosa sulla Terra, con un costo di circa 300 miliardi di dollari USA per milligrammo. Finora sono stati prodotti solo diversi nanogrammi di antimateria, sufficienti per illuminare una lampadina per diversi minuti.
La distinzione chiave tra molte delle tecnologie menzionate e i razzi chimici è che queste tecnologie possono essere in grado di accelerare i veicoli spaziali a velocità prossime alla luce, mentre i razzi chimici non possono. Pertanto, il futuro a lungo termine dei viaggi nello spazio risiede in una di queste tecnologie.