燃料を節約し、従来のホーマン輸送を用いる方法よりも大幅に高速な移動を実現する技術がいくつか提案されている。 いくつかはまだ理論的なものに過ぎませんが、時を経て、理論的なアプローチのいくつかは宇宙飛行ミッションでテストされるようになりました。 例えば、Deep Space 1ミッションは、イオンドライブのテストに成功しました。 これらの改良された技術は、通常、次のうちの1つ以上に焦点を合わせています：
- 燃費がはるかに良い宇宙推進システム。 そのようなシステムは、燃料コストを許容範囲内に維持しながら、はるかに速く移動することを可能にするでしょう。
- 太陽エネルギーと原位置での資源利用を使用して、地球の重力に逆らって地表から部品と燃料を輸送する高価な作業を回避または最小化します（以下の「地球外の資源の使用」を参照）。
- 輸送時間を短縮したり、宇宙輸送の単位質量あたりのコストを削減したりできる、異なる場所や異なる方法でエネルギーを使用する新しい方法論
移動をより速くしたりコストを削減したりする以外に、こうした改善により、宇宙船の軽量化の必要性が減るため、設計上の「安全マージン」を拡大できる可能性もある。 宇宙船推進
すべてのロケットコンセプトは、排気速度と、初期質量（M0、燃料を含む）と最終質量（M1、燃料切れ）の質量比の関数として利用できる特性速度を設定する、ロケット方程式によって制限されている。 主な結果として、ロケットモータの排気速度の数倍以上のミッション速度は、（車両に対して）急速に非現実的なものになります。
核熱・太陽熱ロケット編集部
Sketch of nuclear thermal rocket
核熱ロケットや太陽熱ロケットでは作動液、通常は水素が高温に加熱されてロケットノズルから膨張して推力を発生させます。 このエネルギーは、従来のロケットエンジンにおける反応性化学物質の化学エネルギーに代わるものです。 水素は分子量が小さく熱速度が速いため、原子炉の重量を含めても化学エンジンの少なくとも2倍の燃料効率となる。 NASAの設計はサターンVロケットの上段を置き換えるものとして考えられたが、テストの結果、主にエンジンを高推力で運転する際の振動や加熱が原因となり、信頼性に問題があることが判明した。 核熱ロケットは地表付近で最も威力を発揮し、故障すると悲惨なことになるため、政治的、環境的に当面このようなエンジンが使われることはないだろうと思われる。 核分裂を利用した熱ロケットは、後述する電気・プラズマロケットよりも排気速度が小さいため、魅力に欠ける。 9409>
電気推進編集
電気推進システムは、原子炉や太陽電池などの外部電源を使って発電し、それを使って化学的に不活性な推進剤を化学ロケットよりもはるかに高い速度まで加速させるシステムです。 推力が弱いため、素早い操縦や惑星表面からの打ち上げには不向きである。 しかし、化学ロケットの場合、数秒から数分のうちに反応物質を使い切ってしまうので、数日から数週間にわたって連続発射が可能で、経済的である。
NASA のディープ・スペース・ワンは、プロトタイプのイオン・ドライブのテストに大成功し、合計 678 日間発射し、化学ロケットでは不可能だったボレリー彗星の下降を可能にした。 ドーンは、イオンドライブを主推進力とするNASA初の運用（技術実証ではない）ミッションで、主帯状小惑星の1番ケレスと4番ベスタの軌道を周回するのに成功しました。 さらに野心的な原子力版は、人間の乗員を伴わない木星探査機、木星アイシー・ムーン・オービター（JIMO）のために計画され、当初は今後10年間のうちに打ち上げられる予定であった。 しかし、NASAが有人宇宙飛行を優先するようになったため、このプロジェクトは2005年に資金援助を打ち切られた。 同様のミッションが、エウロパとガニメデの探査のための NASA/ESA 共同プログラムの米国部門として現在検討されている。
ジョンソン宇宙飛行センターを中心とする NASA の多センター技術応用評価チームは、2011 年 1 月に、最大 6 人のクルーによる 24 ヶ月までの地球低軌道（LEO）を超えたミッションに役立つマルチミッション宇宙探査機のコンセプト研究「Nautilus-X」（ノーチラス X）を発表した。 Nautilus-Xは、低推力で高比推力（Isp）の様々な設計のミッション専用推進ユニットに適応可能ですが、核イオン電気駆動は説明のために示されています。 Nautus-Xは、国際宇宙ステーション（ISS）での統合とチェックアウトを目的としており、ISSから地球/月L1、太陽/地球L2、地球近傍小惑星、火星軌道を含む月以降への深宇宙ミッションに適している。 9409>
Fission Power RocketsEdit
The electric propulsion missions already flown or currently scheduled has used solar electric power, which limits their capability to operate far from the Sun, and also limitation their peak acceleration due to the mass of the electric power source.そのため、太陽から遠く離れた場所での運用に制限があり、また電力源の質量により加速度にも制限がある。 9409>
核融合ロケット編集部
核融合反応を動力源とする核融合ロケットは、重水素、トリチウム、3Heなどの軽元素燃料を「燃焼」させるものである。 核融合は、核燃料の質量の1%程度のエネルギーを放出するため、核燃料の質量の0.1%程度のエネルギーしか放出しない核分裂よりもエネルギー的に有利である。 しかし、核分裂でも核融合でも原理的には太陽系探査に必要な速度よりはるかに高い速度を達成することができ、核融合エネルギーの地球上での実用化が待たれているところです。 また、NASAグレン研究所のチームによって、D3He反応に基づき、反応物質として水素を使用する、乗組員による太陽系探査用に設計・最適化されたかなり詳細なビークルシステム「ディスカバリーII」が説明されています。
Exotic propulsionEdit
中長期的に惑星間ミッションの基礎となりうる他の多くの技術についての議論は、宇宙船推進論の記事を参照してください。
ソーラーセイル編集部
NASA illustration of a solar-sail propelled spacecraft
Solar sail depends on the fact that light reflected from a surface exerts pressure on the surface.Sail は、表面で反射した光が表面に圧力をかけるという事実に依存しています。 放射圧は小さく、太陽からの距離の2乗で減少しますが、ロケットと違ってソーラーセイルは燃料を必要としません。
最初のコンセプトは、太陽からの放射だけに頼ったもので、たとえばアーサー・C・クラークの1965年の物語「サンジャマー」にも登場します。 最近のライトセイルの設計では、地上のレーザーやメーザーでセイルを照らし、推力を高めることを提案しています。 セイルが外側と内側の部分に分かれ、外側が前方に押されて機械的に形状が変わり、内側部分に反射光が集中し、内側部分に集中した光がブレーキとして機能するのです。
ライトセイルに関する記事の多くは恒星間航行を対象としているが、太陽系内での利用もいくつか提案されている。
現在、ソーラーセイルを主推進力とする宇宙船は、2010年5月21日にJAXAが打ち上げたIKAROSだけである。 その後、順調に展開し、期待通りの加速度を出していることが確認されています。 また、一般の宇宙船や人工衛星でも、太陽集熱器や温調パネル、日除けなどを軽い帆として利用し、燃料を使わずに姿勢や軌道の微調整を行うものが多くあります。
CyclersEdit
異なる惑星間を循環する軌道にステーションや宇宙船を置くことは可能で、例えば火星サイクラーは軌道を維持するための推進剤をほとんど使わずに火星と地球の間を同期して循環します。 例えば、火星サイクラーは、火星と地球の間を同期して周回します。 サイクラーは、居住空間（例えば、回転して「人工重力」効果を生み出す）、母船（ヒッチハイクする小型宇宙船のクルーに生命維持装置を提供する）、といったいくつかの役割を兼ねることができる。
宇宙エレベーター編集
宇宙エレベーターは、惑星の表面から軌道に物質を輸送する理論的な構造である。 エレベーターの建設という高価な仕事が完了すれば、最小限のコストで不特定多数の荷物を軌道に運べるというものです。 地表からロケットを打ち上げると、軌道に乗るまでの距離の10%に必要な燃料を地表から持ち上げなければならず、さらに燃料が必要になる、という悪循環を避けることができるのだ。 より高度な宇宙エレベーターの設計では、カウンターウェイトを使用することで1回あたりのエネルギーコストを削減し、最も野心的な計画では、上昇と下降の荷重をバランスさせてエネルギーコストをほぼゼロにすることを目指している。
地上の宇宙エレベーターは我々の現在の技術を超えているが、月の宇宙エレベーターは理論的には既存の材料を使用して構築することができる。 Skyhook (structure)
1990年にE. Sarmontによって初めて提案された非回転式スカイフックです。 スカイフックの提案には、高速のペイロードまたは高高度航空機をキャッチし、軌道に配置するために極超音速で回転するテザーを採用する設計が含まれています。 また、回転するスカイフックは「現在利用可能な材料を用いて工学的に実現不可能」であることが示唆されている。
Launch vehicle and spacecraft reusabilityEdit
SpaceX Starshipは、2020年より早くない初打ちを予定しており、ファルコン9とファルコンヘビーのために2011～2018年に開発したスペースX再利用技術を利用して、完全かつ迅速に再利用できる設計になっている。
スペースXのイーロン・マスクCEOは、スターシップに関連するロケットと宇宙船の両方で、再利用可能な機能だけで、火星に届けるトン当たりの全体的なシステムコストは、NASAが以前に達成したものより少なくとも2桁減少すると推定している。
Staging propellantsEdit
地球表面から惑星間探査機を打ち上げ、長期のミッションに必要なすべてのエネルギーを運ぶ場合、ロケット方程式によって理論的に記述される基礎質量制限により、積載量は必ずしも極めて限定的である。 惑星間軌道でより多くの質量を輸送するためには、打ち上げ時に上段の推進剤をほぼ使い切り、地球周回軌道で推進剤を補給してから脱出速度で発射し、太陽系軌道に投入する方法があります。 この推進剤は、軌道上で推進剤タンクに貯蔵するか、推進剤タンカーで軌道上に運び、直接惑星間宇宙船に移すことができます。 また、太陽系天体から原料を採掘し、精製、加工して、その反応生成物（推進剤）を太陽系天体に貯蔵し、打ち上げのために搭載する必要があるときまで、地球に質量を戻すという方法もあります。
On-orbit Tanker TransfersEdit
2019年現在、SpaceXは、再利用可能な1段目の車両が有人惑星間宇宙船を地球軌道に運び、切り離して発射台へ戻り、タンカー宇宙船をその上に搭載し、双方に燃料を補給し、再び発射して待機中の有人宇宙船とランデブーするシステムを開発中である。 その後、タンカーは燃料を有人宇宙船に移し、惑星間航行で使用する。 SpaceX社のスターシップは、高密度メタン/酸素推進剤を使用する6基のラプターエンジンで推進されるステンレス構造の宇宙船です。 全長55m、最大径9mで、火星までの1回の旅で最大100トンの貨物と乗客を輸送することが可能です（惑星間飛行の前に軌道上で推進剤を補給します）。
天体上の推進剤プラント編集
現在開発中の資金提供プロジェクトの一例として、スペースXが惑星間飛行のコストを根本的に削減するために火星のために設計したシステムの重要な部分は、スターシップを打ち上げて地球に帰還させ、あるいは太陽系外の目的地に輸送するための質量を増やすために必要な推進剤の部品の製造と保管を扱う物理プラントを火星の上に配置して運用することである。
火星への最初の宇宙船は、その積荷の一部として小さな推進剤プラントを搭載する。 火星の地下の氷から水（H2O）を採掘し、大気から二酸化炭素を収集する。 化学プラントは、電気分解とサバティエプロセスによって原料を処理し、酸素（O2）とメタン（CH4）を生産し、長期貯蔵と最終使用を容易にするために液化する。
地球外資源の利用編集
Langley’s Mars Ice Dome design from 2016 for the Mars base would use in-situ water to make a sort of space-igloo.火星基地のための2016年のマーズアイスドームのデザインは、原位置の水を使用して一種の宇宙イグルーを作る。
現在の宇宙船は、全行程に必要な燃料（推進剤とエネルギー供給）を搭載して打ち上げようとし、現在の宇宙構造物は地球表面から持ち上げている。 地球外のエネルギー源や材料は、たいていはかなり遠くにありますが、ほとんどは強い重力場から持ち上げる必要がないため、長期的には宇宙で使用する方がはるかに安くつくはずです。
地球外の物質を有用な形に変えるために使用できるため（その一部はエネルギーも生産するかもしれません）、最も重要な地球外資源はエネルギーです。 少なくとも2つの基本的な非地球エネルギー源が提案されている。太陽電池による直接、または蒸気を発生させるボイラーに太陽放射を集中させて発電機を駆動する間接的な太陽エネルギー発電、およびいくつかの惑星の強力な磁場（木星は非常に強力な磁場を持つ）から発電する電気力学的テザーである。
水の氷は非常に有用で、木星や土星の衛星に広く存在する。
- これらの衛星の重力は低いので、宇宙ステーションや惑星基地のための水の源としては、地球の表面から水を持ち上げるよりも安上がりであろう。
- 地球外の電源を利用して、水の氷を電気分解して酸素と水素にし、二液型ロケットエンジンに利用できる。
- 核熱ロケットや太陽熱ロケットの反応物質として利用できる。 しかし、比推力が桁違いに低いにもかかわらず、コストや性能の面では水が水素に勝ると主張されている。
酸素は月の地殻によく含まれる成分で、太陽系の他の天体でもおそらく豊富に含まれている。 地球外の酸素は、水素の十分な供給源が見つかった場合にのみ、水の氷の供給源として価値がある。
- 宇宙船、宇宙ステーション、惑星基地の生命維持システム、
- ロケットエンジンに使用する。 他の推進剤を地球から持ち上げなければならない場合でも、地球外の酸素を使用すれば、推進剤の打ち上げコストを炭化水素燃料の場合は最大で2/3、水素の場合は85%削減することができる。 この節約は、ほとんどのロケット推進剤の組み合わせで酸素が質量の大部分を占めるため、非常に高くなります。
残念ながら、水素、および炭素や窒素などの他の揮発物質は、太陽系内部では酸素よりもはるかに豊富ではありません。
科学者は、太陽系外惑星、衛星、彗星の一部に、膨大な範囲の有機化合物が見つかると予想しており、利用可能範囲はさらに広くなっています。 例えば、メタンは燃料（地球外の酸素で燃やす）として、あるいはプラスチックの製造など石油化学プロセスの原料として利用できます。 また、アンモニアは軌道上や惑星基地の菜園で使用される肥料を生産するための貴重な原料になり、地球から食料を運ぶ必要性を減らすことができるかもしれない。