La principale sfida dei viaggi interstellari sono le grandi distanze da percorrere. Questo significa che è necessaria una velocità molto grande e/o un tempo di viaggio molto lungo. Il tempo di viaggio con i metodi di propulsione più realistici sarebbe da decenni a millenni.
Quindi una nave interstellare sarebbe molto più esposta ai pericoli che si trovano nei viaggi interplanetari, tra cui il vuoto, le radiazioni, l'assenza di peso e i micrometeoriti. Ad alte velocità il veicolo verrebbe penetrato da molte particelle microscopiche di materia, a meno che non sia pesantemente schermato. Portare lo scudo aumenterebbe notevolmente i problemi di propulsione.
Raggi cosmici
I raggi cosmici sono di grande interesse perché non c'è protezione al di fuori dell'atmosfera e del campo magnetico. Le energie dei più energetici raggi cosmici ad altissima energia (UHECR) sono state osservate avvicinarsi a 3 × 1020 eV, circa 40 milioni di volte l'energia delle particelle accelerate dal Large Hadron Collider. A 50 J, i raggi cosmici ad altissima energia hanno energie paragonabili all'energia cinetica di una palla da baseball da 90 chilometri all'ora (56 mph). Come risultato di queste scoperte, c'è stato interesse nello studio dei raggi cosmici di energie ancora maggiori. La maggior parte dei raggi cosmici, tuttavia, non hanno energie così estreme. La distribuzione di energia dei raggi cosmici ha un picco a 0,3 gigaelettronvolt (4,8×10-11 J).
Energia richiesta
Un fattore significativo è l'energia necessaria per un tempo di viaggio ragionevole. Un limite inferiore per l'energia richiesta è l'energia cinetica K = ½ mv2 dove m è la massa finale. Se la decelerazione all'arrivo è desiderata e non può essere ottenuta con nessun altro mezzo che i motori della nave, allora l'energia richiesta almeno raddoppia, perché l'energia necessaria per fermare la nave è uguale all'energia necessaria per accelerarla alla velocità di viaggio.
La velocità per un viaggio di andata e ritorno con equipaggio di qualche decennio fino alla stella più vicina è migliaia di volte superiore a quella dei veicoli spaziali attuali. Questo significa che a causa del termine v2 nella formula dell'energia cinetica, è necessaria una quantità di energia milioni di volte maggiore. Accelerare una tonnellata a un decimo della velocità della luce richiede almeno 450 PJ o 4,5 ×1017 J o 125 miliardi di kWh, senza contare le perdite.
La fonte di energia deve essere trasportata, poiché i pannelli solari non funzionano lontano dal Sole e da altre stelle. La grandezza di questa energia potrebbe rendere impossibile un viaggio interstellare. Un ingegnere ha dichiarato: "Almeno 100 volte la produzione totale di energia del mondo intero [in un dato anno] sarebbe necessaria per il viaggio (verso Alpha Centauri)".
Mezzo interstellare
La polvere e il gas interstellari possono causare danni considerevoli alla nave, a causa delle alte velocità relative e delle grandi energie cinetiche coinvolte. Oggetti più grandi (come grani di polvere più grandi) sono molto meno comuni, ma sarebbero molto più distruttivi. .
Tempo di viaggio
I lunghi tempi di viaggio rendono difficile progettare missioni con equipaggio. I limiti fondamentali dello spazio-tempo rappresentano un'altra sfida. Inoltre, i viaggi interstellari sarebbero difficili da giustificare per ragioni economiche.
Si può sostenere che una missione interstellare che non può essere completata entro 50 anni non dovrebbe essere iniziata affatto. Invece, le risorse dovrebbero essere investite nella progettazione di un sistema di propulsione migliore. Questo perché un veicolo spaziale lento sarebbe probabilmente superato da un'altra missione inviata più tardi con una propulsione più avanzata.
D'altra parte, un caso può essere fatto per iniziare una missione senza ritardi, perché i problemi non di propulsione possono rivelarsi più difficili dell'ingegneria della propulsione.
Il viaggio intergalattico comporta distanze circa un milione di volte superiori a quelle interstellari, il che lo rende radicalmente più difficile persino del viaggio interstellare.
Il calcolo di Kennedy
Andrew Kennedy ha dimostrato che i viaggi intrapresi prima del tempo minimo di attesa saranno superati da quelli che partono al minimo, mentre quelli che partono dopo il minimo non supereranno mai quelli che sono partiti al minimo.
Il calcolo di Kennedy dipende da r, l'aumento medio annuo della produzione mondiale di energia. Da qualsiasi punto nel tempo a una data destinazione, c'è un minimo al tempo totale a destinazione. I viaggiatori arriverebbero probabilmente senza essere superati dai viaggiatori successivi aspettando un tempo t prima di partire. La relazione tra il tempo necessario per arrivare a una destinazione (ora, Tnow, o dopo aver aspettato, Tt, e la crescita della velocità di viaggio è
T n o w T t = ( 1 + r ) t 2 {\displaystyle {\frac {T_now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{tfrac {t}{2}}} 
Prendendo come esempio un viaggio verso la stella di Barnard, a sei anni luce di distanza, Kennedy mostra che con un tasso di crescita economica media annua del mondo dell'1,4% e una crescita corrispondente della velocità di viaggio, la civiltà umana potrebbe arrivare più velocemente alla stella in 1.110 anni dall'anno 2007.
Distanze interstellari
Le distanze astronomiche sono spesso misurate nel tempo che impiegherebbe un raggio di luce per viaggiare tra due punti (vedi anno luce). La luce nel vuoto viaggia a circa 300.000 chilometri al secondo o 186.000 miglia al secondo.
La distanza dalla Terra alla Luna è di 1,3 secondi luce. Con le attuali tecnologie di propulsione dei veicoli spaziali, un veicolo può coprire la distanza dalla Terra alla Luna in circa otto ore (New Horizons). Ciò significa che la luce viaggia circa trentamila volte più veloce delle attuali tecnologie di propulsione dei veicoli spaziali. La distanza dalla Terra agli altri pianeti del sistema solare varia da tre minuti luce a circa quattro ore luce. A seconda del pianeta e del suo allineamento con la Terra, per un tipico veicolo spaziale senza equipaggio questi viaggi durano da pochi mesi a poco più di un decennio. La distanza da altre stelle è molto maggiore. Se la distanza dalla Terra al Sole viene ridotta a un metro, la distanza da Alpha Centauri A sarebbe di 271 chilometri o circa 169 miglia.
La stella conosciuta più vicina al Sole è Proxima Centauri, che dista 4,23 anni luce. La sonda più veloce ancora inviata verso l'esterno, Voyager 1, ha coperto 1/600 di anno luce in 30 anni e attualmente si muove a 1/18.000 della velocità della luce. A questa velocità, un viaggio verso Proxima Centauri richiederebbe 72.000 anni. Naturalmente, questa missione non era specificamente destinata a viaggiare velocemente verso le stelle, e la tecnologia attuale potrebbe fare molto meglio. Il tempo di viaggio potrebbe essere ridotto a pochi millenni usando le vele solari, o a un secolo o meno usando la propulsione nucleare a impulsi.
La relatività speciale offre la possibilità di accorciare il tempo di viaggio: se un'astronave con motori sufficientemente avanzati potesse raggiungere velocità vicine a quella della luce, la dilatazione del tempo relativistico renderebbe il viaggio molto più breve per il viaggiatore. Tuttavia, ci vorrebbero ancora molti anni di tempo trascorso come visto dalle persone rimaste sulla Terra. Al ritorno sulla Terra, i viaggiatori scoprirebbero che sulla Terra è trascorso molto più tempo di quanto ne sia trascorso per loro (paradosso dei gemelli).
Molti problemi sarebbero risolti se esistessero i wormhole. La relatività generale non li esclude, ma per quanto ne sappiamo al momento, non esistono.
Comunicazioni
Il tempo di ritardo di andata e ritorno è il tempo minimo tra il segnale di una sonda che raggiunge la Terra, e la sonda che riceve istruzioni dalla Terra. Dato che l'informazione non può viaggiare più veloce della velocità della luce, questo è per la Voyager 1 circa 32 ore, vicino a Proxima Centauri sarebbe 8 anni. Reazioni più veloci dovrebbero essere programmate per essere eseguite automaticamente. Naturalmente, nel caso di un volo con equipaggio l'equipaggio può rispondere immediatamente alle sue osservazioni. Tuttavia, il tempo di ritardo di andata e ritorno li rende non solo estremamente distanti ma, in termini di comunicazione, estremamente isolati dalla Terra. Un altro fattore è l'energia necessaria affinché le comunicazioni interstellari arrivino in modo affidabile. Ovviamente, gas e particelle degraderebbero i segnali (estinzione interstellare), e ci sarebbero limiti all'energia disponibile per inviare il segnale.
Missioni con equipaggio
La massa di qualsiasi imbarcazione in grado di trasportare esseri umani sarebbe inevitabilmente molto più grande di quella necessaria per una sonda interstellare senza equipaggio. I tempi di viaggio molto più lunghi richiederebbero un sistema di supporto vitale. È improbabile che le prime missioni interstellari trasportino forme di vita.
