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第3章指出，火箭发射需要化学燃料或核燃料提供十足的推力，才能脱离地球引力。到22世纪，当人类准备探索深空时，火箭可能已经过时了。把人类送入太空，天钩和轨道环要有效得多，我们可以在那里登上等待着的宇宙飞船。然后，一旦进入太空，就会有更多的燃料可供选择。其中一些燃料可以将我们推进到接近光速的速度。
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离子和等离子体推进
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离子推进是乌龟和兔子的结合，一个通过一系列原子大小的推力来推动航天器达到极高速度的系统。在前往小行星的太空任务中，NASA和JAXA都成功使用了离子推进技术。这项技术的核心是作用力与反作用力：将带正电荷的原子或离子气体从后端推出，然后以同样的能量推动宇宙飞船前进。因为太空中没有空气阻力，所以宇宙飞船会随着每次轻推而移动得越来越快。
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化学燃料通过喷嘴以5千米/秒的速度喷出热气。大量使用这种燃料，就可以产生提升火箭的推力。当燃料耗尽，你就会以发射时达到的最终速度离开。离子推进器使用氙气作为燃料。当氙原子受到电子轰击时，氙原子失去了一个电子变成带正电的离子。正离子可以在电场中加速，并以40千米/秒的速度喷射出来。离子一个个被喷出，产生的推力很小，大约0.5牛顿，也就是举起一张纸的力。但是在太空中，这些推力可以叠加起来。NASA造访谷神星和灶神星的“曙光号”探测器使用离子推进技术（先用传统火箭将其送入太空），在4天内从0加速到100千米/小时。虽然速度不是很快，但对于这次任务所需要的精细机动来说非常理想。只要几周时间，装有离子推进器的航天器就能达到32万千米/小时的速度。这样的速度可以将前往火星的时间缩短到几个月。我们可以在大约5年内到达冥王星，而不是像“新视野号”一样花上近10年的时间。
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目前投入使用的离子推进器适用于轻型航天器，不适用于大载荷航天器——因为质量太大无法推动。NASA已经成功地展示了一种更高效的离子推进系统，只不过是在地球的实验室里。这种离子推进系统叫作X3或霍尔推进器（Hall thruster），可以产生5牛顿的推力，是“曙光号”上使用的氙气推进器的10倍。这意味着X3推进发动机可以将相当重的载荷——建立科学基地或定居点所需的那些必不可少的货物——发射到火星。
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在实验领域研究得更深入的是可变比冲磁等离子体火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket，VASIMR），由星际探索火箭公司（Ad Astra Rocket Company）研发，由前NASA宇航员富兰克林·常·迪亚兹（Franklin Chang Díaz）领导。目前的离子推进系统利用太阳能电池板产生电子轰击氙气，而可变比冲磁等离子体火箭利用无线电波将氩气“煮沸”产生电子，形成离子等离子体。星际探索火箭公司的工程师计算得出，航天器使用小型核 反应堆能源可以产生高能离子等离子体推进剂，到达火星只需39天，而使用化学燃料需要大约200天。[28]
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唉，现在看来，在这个奇幻的领域，人们热衷的东西似乎又成了电磁驱动（EmDrive）——一种假设的无推进剂驱动。它打破了各种物理定律，但人们还是对它进行了10多年的测试。原理是，在一个锥形装置中收集的微波可以来回弹跳，从而产生微小的推力。实验人员，包括NASA的一些人，认为他们看到了这种效应。如果可行，你就可以用周围宇宙射线的微波来驱动航天器。显然，这是星际航行的理想选择，不需要燃料你就可以达到极高的速度。但德国的一个工程师团队已经发现，在地面实验室中检测到的推力来自发动机舱内电力电缆与地球磁场的相互作用。[29]
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太阳帆
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太阳帆可以捕捉太阳风，或者更确切地说，是捕捉来自太阳光光子的压力。JAXA第一个在星际空间证明了这一技术。它在2010年将“太阳帆行星际飞船”（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun，IKAROS，伊卡洛斯号）送到了金星。这面太阳帆长14米、宽14米，只有几微米厚，就把这艘重315千克的飞船推进到了1440千米/小时或0.4千米/秒的最高速度。虽然这比离子推进器的速度要慢得多，但潜力仍然很大。注意，IKAROS是在逆“风”航行。2019年，通过众筹筹得的资金，行星协会（Planetary Society）成功发射并展开了太阳帆，证明飞船在不使用燃料的情况下可以在太阳系移动。
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从理论上来说，太阳帆只要离太阳足够近，在水星轨道以内，就可以捕捉到足够的微风，使其以400千米/秒的速度飞行，也就是0.1%的光速。[30] 这个速度非常快，仅用2年左右的时间就能到达冥王星。如果我们用激光束推动带帆的航天器，它可以飞得更快。“突破摄星”（Breakthrough Starshot initiative）是一个向4光年外的半人马座α星发射1000部微型太空探测器的项目。在地球上用强大的激光推动这些只有几厘米大小的探测器，并将它们加速到15%～20%的光速。这项聪明计划的一个问题是，当探测器到达半人马座α星时，如何减慢探测器的速度。降落伞在太空中不起作用。
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可能的和不可能的推进
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人类可以梦想。1996～2002年，NASA“突破推进物理项目”（Breakthrough Propulsion Physics，BPP）的工作人员就是这样一直怀揣着梦想，直到该项目被取消。他们做了一些数学和物理学方面的尝试，但大部分只是梦想。其中研究的一个概念是《星际迷航》中的曲速引擎（warp drive）。这不是那种普遍认为的比光速还快的旅行。相反，曲速引擎可以使空间弯曲——将空间挤压在一起——让你通过在波峰上跳跃来跨越很远的距离，而不是沿着每个波浪上上下下。
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你没有错过新闻发布会：曲速引擎没有成功。曲速引擎及其时髦的孪生兄弟虫洞，就概念来说都是可行的，因为它们不违反已知的物理定律。然而，扭曲空间所需的能量远远超过我们所能产生的能量，除非我们学会利用黑洞的能量。
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反物质燃料是有可能的。今天，我们已经可以在粒子加速器中制造反物质，尽管很难长时间储存。我们生产的数量实际上只是几个反质子，不到十亿分之一克。反物质是指带有相反电荷的相同粒子。反电子——称为正电子——带有正电荷，与一个电子的负电荷相反。一个反质子带有一个负电荷。它们非常不稳定，当反物质遇到普通物质时，粒子就会湮灭，不会留下任何灰烬——按照公式E=mc2 ，物质全部转化为能量。化学能的效率大约是1%，留下了大量灰烬。核能的效率约为10%。物质—反物质湮灭的效率是100%。所有这一切都是在说，如果能够利用反物质的能量（并非完全不可能），我们就会有一种燃料来推动我们以超过光速40%的速度前进。在这一点上，我们要担心的是移动得太快，因为以这样的速度在宇宙碎片中穿梭会侵蚀船体，就跟汽车挡风玻璃上的虫子一样，没什么好处……
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离现实更近的是核裂变和核聚变发动机。核燃料现在已经开始在太空中使用。NASA在“旅行者1号”和“旅行者2号”上安装了放射性同位素温差发电机（RTG），这两枚探测器目前正在离开太阳系。钚衰变产生的热量可以发电。RTG已经用于多枚探测器，比如“好奇号”火星车。然而，太空中的核裂变一直是一项挑战。NASA的“核发动机运载火箭应用”项目（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application，NERVA）在20世纪50年代和60年代运行了20年。这种以核裂变为动力的火箭，原计划在20世纪80年代将人类送上火星，但事实证明，进一步研发成本太高。该项目在20世纪80年代后期以“森林之风计划”（Project Timberwind）的形式重生，由战略防御计划（“星球大战”）资助。过去和现在的问题都是核燃料的安全性，特别是航天器从地球发射的过程中。如果火箭爆炸，那么大片土地将被有毒的核燃料所覆盖；如果一个国家的火箭在另一个国家爆炸，那将是一场人类的噩梦。尽管如此，核发动机技术还是相当先进的。因此，如果在没有生命的月球上用本地制造的核燃料发射核裂变火箭，绕过安全顾虑，是可行的。
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如果我们掌握了核聚变技术，从月球上用当地氦-3资源提供的动力发射大型航天器的可能性就更大。与化学燃料相比，核燃料不仅能提供更多的能量，而且燃烧效率更高。这意味着我们可以使用核燃料以更小的燃料—货物比让航天器飞得更快、更远。脉冲核聚变一次只使用少量的核聚变燃料，就能产生一系列推力，可以将航天器的速度推进到光速的10%。
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预测
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在月球和火星上建立科学基地后，搭乘在太空中组装的由太阳帆和离子推进器提供动力的大型飞船，人类将在21世纪末造访金星上空以及木星的卫星；21世纪末，机器人任务将在外太阳系至少一颗卫星上发现生命；22世纪初，人类将乘坐速度极快的核动力宇宙飞船去土卫六探险；到22世纪末，科学技术取得的进步已经允许人类在整个太阳系进行科学探索。但除天王星以外，仍然没有商业活动或居住的需要。因为天王星这个冰巨星足以提供内太阳系需要的所有资源；23世纪末，第一批人类将离开地球，前往距离最近、适宜居住的恒星系；几千年后，这些点才会连接起来，星际旅行和商业才会成为常态。
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[1] Stephen Maran，Astronomy for Dummies ，4th ed.，（Hoboken，NJ：John Wiley & Sons，2017），121-122.
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[2] 50千米海拔是一个折中考虑，在海拔稍微高一些的地方虽然温度较低，但气压也低得多。
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[3] Geoffrey A.Landis et al.，“Atmospheric Flight on Venus，”40th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，American Institute of Aeronautics and Astronautics，Reno，Nevada，January 14-17，2002，NASA/TM—2002-211467，https：//www.researchgate.net/publication/24286050_Atmospheric_Flight_on_Venus.
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[4] Paul Birch，“Terraforming Venus Quickly，” Journalof the British Interplanetary Society 44（1991）：157-167.
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[5] Mark Bullock and David H.Grinspoon，“The Stability of Climate on Venus，” Journal of Geophysical Research 101（1996）：7521-7529，doi：10.1029/95JE03862.
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[6] 英国歌手罗伊·哈珀（Roy Harper）有一首优美歌曲是关于这种飞行体验的，名字叫作《十二小时的日落》（Twelve Hours of Sunset ）。
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[7] 如果发生故障，你就会变成烧烤或者冰块。
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