Le colonie spaziali proposte possono essere suddivise in tre categorie generali; colonie su satelliti o asteroidi, colonie su altri pianeti (sebbene non si possano considerare queste “colonie spaziali”, di per sé), e colonie spaziali interamente artificiali.
Gli scrittori di fantascienza hanno discusso di queste possibilità fin dall’inizio del mestiere stesso. Ad esempio, nel 1869, Edward Everett Hale scrisse The Brick Moon, una storia su una stazione spaziale artificiale fatta di mattoni. Nel 1929, il dottor John Desmond Bernal concepì la sfera di Bernal, una colonia spaziale rotante con un diametro di circa 15 chilometri (9.3 miglia), riempita d’aria e colonizzata intorno all’equatore, dove la rotazione della colonia avrebbe creato forza centrifuga per simulare la gravità terrestre.
Negli anni ’60 e ’70, la speculazione e la ricerca sulla possibilità di colonie spaziali hanno conosciuto una rinascita, provocata dalla Space Race. Uno dei pensatori più importanti che hanno partecipato alla progettazione e alla difesa delle colonie spaziali è stato il fisico di Princeton Gerard O’Neill, che nel 1969 ha posto la domanda provocatoria: “La superficie di un pianeta è davvero il posto giusto per una civiltà tecnologica in espansione?” Durante gli anni ’70, O’Neill ha condotto seminari che hanno studiato in dettaglio diversi progetti di colonie spaziali proposti. Uno studio estivo della NASA nel 1975 ha studiato tre progetti principali, soprannominati Island One, Island Two e Island Three. Tutti e tre si basano sulla premessa di un’ecologia artificiale autosufficiente all’interno della stazione, chiamata arcologia.
L’isola uno era la sfera Bernal, un design chiuso (buono per proteggere dalle radiazioni), ad eccezione dei pali, che sarebbero stati lasciati aperti per consentire agli specchi di reindirizzare la luce solare dall’esterno all’interno della colonia. L’isola due era il toro di Stanford, un toro largo un miglio che ruotava per produrre gravità artificiale sul lato interno dell’anello. Il centro del toroide potrebbe quindi fungere da comoda stazione di attracco per i veicoli spaziali che si avvicinano attraverso i poli. L’isola tre era il cilindro O’Neill, un tubo rotante progettato per contenere 10,000 persone. Questo disegno è probabilmente la colonia spaziale più popolare ritratta nella fantascienza.
I progetti non rotanti sono generalmente presentati con la condizione che gli esseri umani e le nostre ecologie di supporto possano adattarsi o essere riprogettati per funzionare in assenza di gravità continua. Questa possibilità è interessante perché i progetti privi del requisito della gravità artificiale possono sfruttare maggiormente un dato volume di spazio e materiale. L’autore Marshall T. Savage ha proposto l’idea delle bolle gonfiabili nel suo libro The Millennium Project, unità modulari che utilizzerebbero una pelle d’acqua per schermare le radiazioni e sarebbero collegate tra loro in vaste reti aperte. Invece di dipendere da lavoratori umani per la fabbricazione e l’installazione, le colonie spaziali avanzate potrebbero impiegare la robotica avanzata per mantenere le colonie spaziali e crearne di nuove.
È comunemente riconosciuto che un giorno verranno create colonie spaziali, per ragioni commerciali, militari, economiche o personali. Se le colonie spaziali possiedono la capacità di produrre nuove colonie spaziali e percorrono lunghe distanze per ottenere risorse a questo scopo, il risultato finale potrebbe essere la colonizzazione dell’intero nostro universo abitabile. Questo processo inizierebbe con la creazione della prima colonia spaziale autosufficiente, un evento che molti vedono come probabile che accada prima dell’anno 2040.