Principala provocare cu care se confruntă călătoria interstelară este reprezentată de distanțele mari care trebuie parcurse. Acest lucru înseamnă că este nevoie de o viteză foarte mare și/sau de un timp de călătorie foarte lung. Timpul de călătorie cu cele mai realiste metode de propulsie ar fi de la zeci de ani până la milenii.
Prin urmare, o navă interstelară ar fi mult mai expusă la pericolele întâlnite în călătoriile interplanetare, inclusiv vidul, radiațiile, imponderabilitatea și micrometeoroizii. La viteze mari, vehiculul ar fi penetrat de multe particule microscopice de materie, cu excepția cazului în care ar fi puternic protejat. Transportarea scutului ar spori considerabil problemele de propulsie.
Razele cosmice
Razele cosmice prezintă un mare interes, deoarece nu există protecție în afara atmosferei și a câmpului magnetic. S-a observat că energiile celor mai energetice raze cosmice de energie ultra-înaltă (UHECR) se apropie de 3 × 10 20eV, de aproximativ 40 de milioane de ori mai mare decât energia particulelor accelerate de Large Hadron Collider. La 50 J, razele cosmice ultra-înalte cu cea mai mare energie au energii comparabile cu energia cinetică a unei mingi de baseball de 90 km pe oră (56 mph). Ca urmare a acestor descoperiri, a existat un interes pentru investigarea razelor cosmice cu energii și mai mari. Cu toate acestea, majoritatea razelor cosmice nu au energii atât de extreme. Distribuția energetică a razelor cosmice atinge un maxim de 0,3 gigaelectronvolți (4,8×10−11 J).
Energie necesară
Un factor important este energia necesară pentru un timp de deplasare rezonabil. O limită inferioară pentru energia necesară este energia cinetică K = ½ mv2, unde m este masa finală. În cazul în care se dorește decelerarea la sosire și nu se poate realiza prin alte mijloace decât motoarele navei, atunci energia necesară cel puțin se dublează, deoarece energia necesară pentru a opri nava este egală cu energia necesară pentru a o accelera până la viteza de deplasare.
Viteza pentru o călătorie cu echipaj uman de câteva decenii până la cea mai apropiată stea este de mii de ori mai mare decât cea a vehiculelor spațiale actuale. Acest lucru înseamnă că, datorită termenului v2 din formula energiei cinetice, este necesară o cantitate de energie de milioane de ori mai mare. Accelerarea unei tone până la o zecime din viteza luminii necesită cel puțin 450 PJ sau 4,5 ×1017 J sau 125 de miliarde de kWh, fără a lua în considerare pierderile.
Sursa de energie trebuie să fie transportată, deoarece panourile solare nu funcționează departe de Soare și de alte stele. Magnitudinea acestei energii poate face imposibilă călătoria interstelară. Un inginer a declarat: "Cel puțin de 100 de ori mai mare decât producția totală de energie a întregii lumi [într-un anumit an] ar fi necesară pentru această călătorie (spre Alpha Centauri)".
Mediul interstelar
praful și gazul interstelar pot provoca daune considerabile navei, din cauza vitezelor relative ridicate și a energiilor cinetice mari implicate. Obiectele mai mari (cum ar fi granulele de praf mai mari) sunt mult mai puțin frecvente, dar ar fi mult mai distructive. .
Timp de călătorie
Duratele mari de călătorie fac dificilă proiectarea misiunilor cu echipaj uman. Limitele fundamentale ale spațiului-timp reprezintă o altă provocare. De asemenea, călătoriile interstelare ar fi greu de justificat din motive economice.
Se poate argumenta că o misiune interstelară care nu poate fi finalizată în 50 de ani nu ar trebui să fie începută deloc. În schimb, resursele ar trebui să fie investite în proiectarea unui sistem de propulsie mai bun. Acest lucru se datorează faptului că o navă spațială lentă ar fi probabil depășită de o altă misiune trimisă mai târziu cu o propulsie mai avansată.
Pe de altă parte, se poate justifica, prin urmare, începerea unei misiuni fără întârziere, deoarece problemele care nu țin de propulsie se pot dovedi a fi mai dificile decât cele de inginerie de propulsie.
Călătoria intergalactică implică distanțe de un milion de ori mai mari decât distanțele interstelare, ceea ce o face radical mai dificilă chiar și decât călătoria interstelară.
Calculul lui Kennedy
Andrew Kennedy a arătat că voiajele efectuate înainte de timpul minim de așteptare vor fi depășite de cele care pleacă la timpul minim, în timp ce cele care pleacă după acest timp minim nu le vor depăși niciodată pe cele care au plecat la timpul minim.
Calculul lui Kennedy depinde de r, creșterea medie anuală a producției mondiale de energie. Din orice punct în timp până la o anumită destinație, există un minim al timpului total până la destinație. Călătorii ar ajunge probabil fără a fi depășiți de călători mai târziu, așteptând un timp t înainte de a pleca. Relația dintre timpul necesar pentru a ajunge la o destinație (acum, Tnow, sau după așteptare, Tt, și creșterea vitezei de deplasare este
T n o w T t = ( +1 r ) t {\displaystyle2 {\frac {T_{now}}}{T_{t}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}} 
Luând ca exemplu o călătorie către Steaua lui Barnard, aflată la șase ani-lumină distanță, Kennedy arată că, în condițiile unei rate medii mondiale de creștere economică anuală de 1,4% și a unei creșteri corespunzătoare a vitezei de deplasare, civilizația umană ar putea ajunge cel mai repede la această stea în 1.110 ani din anul 2007.
Distanțe interstelare
Distanțele astronomice se măsoară adesea în timpul necesar unui fascicul de lumină pentru a călători între două puncte (a se vedea an-lumină). Lumina în vid călătorește aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă sau 186.000 de mile pe secundă.
Distanța de la Pământ la Lună este de 1,3 secunde-lumină. Cu tehnologiile actuale de propulsie a navelor spațiale, o navă poate parcurge distanța de la Pământ la Lună în aproximativ opt ore (New Horizons). Aceasta înseamnă că lumina călătorește de aproximativ treizeci de mii de ori mai repede decât tehnologiile actuale de propulsie a navelor spațiale. Distanța de la Pământ la alte planete din sistemul solar variază între trei minute-lumină și aproximativ patru ore-lumină. În funcție de planetă și de alinierea acesteia față de Pământ, pentru o navă spațială tipică fără echipaj uman, aceste călătorii vor dura de la câteva luni până la puțin peste un deceniu. Distanța până la alte stele este mult mai mare. Dacă distanța de la Pământ la Soare este redusă la un metru, distanța până la Alpha Centauri A ar fi de 271 de kilometri sau aproximativ 169 de mile.
Cea mai apropiată stea cunoscută de Soare este Proxima Centauri, care se află la o distanță de 4,23 ani lumină. Cea mai rapidă navă spațială trimisă până acum, Voyager 1, a parcurs 1/600 de an-lumină în 30 de ani și se deplasează în prezent cu 1/18.000 de ori viteza luminii. În acest ritm, o călătorie până la Proxima Centauri ar dura 72.000 de ani. Desigur, această misiune nu a fost concepută special pentru a călători rapid spre stele, iar tehnologia actuală ar putea face mult mai bine. Timpul de călătorie ar putea fi redus la câteva milenii folosind pânze solare sau la un secol sau mai puțin folosind propulsie cu impulsuri nucleare.
Relativitatea specială oferă posibilitatea de a scurta timpul de călătorie: dacă o navă stelară cu motoare suficient de avansate ar putea atinge viteze apropiate de viteza luminii, dilatarea relativistă a timpului ar face călătoria mult mai scurtă pentru călător. Cu toate acestea, ar fi totuși nevoie de mulți ani de timp scurs, așa cum este văzut de oamenii rămași pe Pământ. La întoarcerea pe Pământ, călătorii ar constata că pe Pământ s-a scurs mult mai mult timp decât pentru ei (paradoxul gemenilor).
Multe probleme ar fi rezolvate dacă ar exista găuri de vierme. Relativitatea generală nu le exclude, dar, din câte știm în prezent, ele nu există.
Comunicații
Timpul de întârziere dus-întors este timpul minim dintre momentul în care semnalul unei sonde ajunge pe Pământ și momentul în care sonda primește instrucțiuni de la Pământ. Având în vedere că informația nu poate călători mai repede decât viteza luminii, acest timp este de aproximativ 32 de ore pentru Voyager 1, în timp ce în apropiere de Proxima Centauri ar fi de 8 ani. Reacții mai rapide ar trebui să fie programate pentru a fi efectuate automat. Desigur, în cazul unui zbor cu echipaj, echipajul poate reacționa imediat la observațiile sale. Cu toate acestea, timpul de întârziere dus-întors îi face nu numai extrem de îndepărtați, ci și extrem de izolați de Pământ în ceea ce privește comunicarea. Un alt factor este energia necesară pentru ca comunicațiile interstelare să ajungă în mod fiabil. Evident, gazele și particulele ar degrada semnalele (extincție interstelară) și ar exista limite la energia disponibilă pentru a trimite semnalul.
Misiuni cu echipaj uman
Masa oricărei nave capabile să transporte oameni ar fi în mod inevitabil mult mai mare decât cea necesară pentru o sondă interstelară fără echipaj uman. Durata mult mai mare a călătoriei ar necesita un sistem de susținere a vieții. Este puțin probabil ca primele misiuni interstelare să transporte forme de viață.
