O principal desafio enfrentado pelas viagens interestelares são as vastas distâncias que têm que ser percorridas. Isto significa que é necessária uma velocidade muito grande e/ou um tempo de viagem muito longo. O tempo de viagem com os métodos de propulsão mais realistas seria de décadas a milênios.
Portanto, um navio interestelar estaria muito mais exposto aos perigos encontrados em viagens interplanetárias, incluindo vácuo, radiação, ausência de peso e micrometeoróides. Em altas velocidades, o veículo seria penetrado por muitas partículas microscópicas de matéria, a menos que estivesse fortemente protegido. Transportar o escudo aumentaria muito os problemas de propulsão.
Raios cósmicos
Os raios cósmicos são de grande interesse porque não há proteção fora da atmosfera e do campo magnético. As energias dos raios cósmicos de ultra-alta energia mais energéticos (UHECRs) foram observadas para se aproximar de 3 × 1020 eV, cerca de 40 milhões de vezes a energia das partículas aceleradas pelo Grande Colisor de Hadron. A 50 J, os raios cósmicos de maior energia ultra-alta energia têm energias comparáveis à energia cinética de um beisebol de 90 km por hora (56 mph). Como resultado dessas descobertas, tem havido interesse em investigar os raios cósmicos de energias ainda maiores. A maioria dos raios cósmicos, no entanto, não possui tais energias extremas. A distribuição de energia dos raios cósmicos atinge picos de 0,3 gigaelectronvolts (4,8×10-11 J).
Energia necessária
Um fator significativo é a energia necessária para um tempo de viagem razoável. Um limite inferior para a energia necessária é a energia cinética K = ½ mv2 onde m é a massa final. Se a desaceleração na chegada é desejada e não pode ser alcançada por nenhum outro meio além dos motores do navio, então a energia necessária pelo menos dobra, porque a energia necessária para parar o navio é igual à energia necessária para acelerá-lo para a velocidade de viagem.
A velocidade para uma viagem tripulada de ida e volta de algumas décadas até a estrela mais próxima é milhares de vezes maior do que a dos veículos espaciais atuais. Isto significa que, devido ao termo v2 na fórmula de energia cinética, é necessário milhões de vezes mais energia. A aceleração de uma tonelada a um décimo da velocidade da luz requer pelo menos 450 PJ ou 4,5 ×1017 J ou 125 bilhões de kWh, não contabilizando as perdas.
A fonte de energia tem que ser transportada, já que os painéis solares não funcionam longe do Sol e de outras estrelas. A magnitude desta energia pode tornar impossível a viagem interestelar. Um engenheiro declarou "Pelo menos 100 vezes a produção total de energia do mundo inteiro [em um determinado ano] seria necessária para a viagem (até Alpha Centauri)".
Meio interestelar
O pó e o gás interestelar podem causar danos consideráveis à embarcação, devido às altas velocidades relativas e às grandes energias cinéticas envolvidas. Objetos maiores (como grãos de poeira maiores) são muito menos comuns, mas seriam muito mais destrutivos. .
Tempo de viagem
Os longos tempos de viagem dificultam a concepção de missões tripuladas. Os limites fundamentais do espaço-tempo apresentam outro desafio. Além disso, as viagens interestelares seriam difíceis de justificar por razões econômicas.
Pode-se argumentar que uma missão interestelar que não pode ser concluída dentro de 50 anos não deve ser iniciada de forma alguma. Ao invés disso, os recursos deveriam ser investidos no projeto de um sistema de propulsão melhor. Isto porque uma nave espacial lenta provavelmente seria passada por outra missão enviada mais tarde com propulsão mais avançada.
Por outro lado, pode-se, portanto, defender o início de uma missão sem demora, pois os problemas de não-propulsão podem se tornar mais difíceis do que a engenharia de propulsão.
As viagens intergalácticas envolvem distâncias cerca de um milhão de vezes maiores que as distâncias interestelares, tornando-as radicalmente mais difíceis do que as viagens interestelares.
O cálculo de Kennedy
Andrew Kennedy mostrou que as viagens realizadas antes do tempo mínimo de espera serão ultrapassadas por aqueles que partem no mínimo, enquanto aqueles que partem depois do mínimo nunca ultrapassarão aqueles que partiram no mínimo.
O cálculo de Kennedy depende de r, o aumento médio anual na produção mundial de energia. De qualquer ponto do tempo até um determinado destino, há um mínimo de tempo total até o destino. Os viajantes provavelmente chegariam sem serem ultrapassados por viajantes posteriores, esperando um tempo t antes de partir. A relação entre o tempo que leva para chegar a um destino (agora, Neve, ou depois de esperar, Tt, e o crescimento na velocidade de viagem é
T n o w T t t = ( 1 + r ) t 2 {\i1}{\i1}{\i1}={(1+r)^{\i}{\i1}{\i1}frac 
Fazendo uma viagem à Estrela de Barnard, a seis anos-luz de distância, como exemplo, Kennedy mostra que, com uma taxa de crescimento econômico mundial média anual de 1,4% e um crescimento correspondente na velocidade de viagem, a civilização humana mais rápida pode chegar à Estrela é em 1.110 anos a partir do ano de 2007.
Distâncias interestelares
As distâncias astronômicas são frequentemente medidas no tempo em que seria necessário um feixe de luz para viajar entre dois pontos (ver ano-luz). A luz em um vácuo viaja aproximadamente 300.000 quilômetros por segundo ou 186.000 milhas por segundo.
A distância da Terra até a Lua é de 1,3 segundos-luz. Com as tecnologias atuais de propulsão de naves espaciais, uma embarcação pode cobrir a distância da Terra à Lua em cerca de oito horas (Novos Horizontes). Isso significa que a luz viaja aproximadamente trinta mil vezes mais rápido que as tecnologias atuais de propulsão de naves espaciais. A distância da Terra a outros planetas no Sistema Solar varia de três minutos-luz a cerca de quatro horas-luz. Dependendo do planeta e de seu alinhamento com a Terra, para uma típica nave espacial não tripulada, estas viagens levarão de alguns meses a pouco mais de uma década. A distância para outras estrelas é muito maior. Se a distância da Terra ao Sol for reduzida para um metro, a distância até o Alfa Centauri A seria de 271 quilômetros ou cerca de 169 milhas.
A estrela conhecida mais próxima ao Sol é Proxima Centauri, que está a 4,23 anos-luz de distância. A nave espacial mais rápida para fora ainda enviada, a Voyager 1, cobriu 1/600 de um ano-luz em 30 anos e atualmente está se movendo a 1/18.000º da velocidade da luz. A este ritmo, uma viagem para Proxima Centauri levaria 72.000 anos. É claro que esta missão não se destinava especificamente a viajar rapidamente até as estrelas, e a tecnologia atual poderia fazer muito melhor. O tempo de viagem poderia ser reduzido a alguns milênios utilizando velas solares, ou a um século ou menos utilizando a propulsão de pulso nuclear.
A relatividade especial oferece a possibilidade de reduzir o tempo de viagem: se uma nave estelar com motores suficientemente avançados pudesse atingir velocidades próximas à velocidade da luz, a dilatação relativista do tempo tornaria a viagem muito mais curta para o viajante. No entanto, ainda levaria muitos anos de tempo decorrido, conforme visto pelas pessoas que permanecem na Terra. Ao retornar à Terra, os viajantes descobririam que havia passado muito mais tempo na Terra do que para eles (paradoxo dos gêmeos).
Muitos problemas seriam resolvidos se os buracos de vermes existissem. A relatividade geral não os exclui, mas até onde sabemos no momento, eles não existem.
Comunicações
O tempo de atraso de ida e volta é o tempo mínimo entre o sinal de uma sonda que chega à Terra, e a sonda receber instruções da Terra. Dado que a informação não pode viajar mais rápido que a velocidade da luz, isto é para a Voyager 1 cerca de 32 horas, perto de Proxima Centauri seriam 8 anos. Reações mais rápidas teriam que ser programadas para serem realizadas automaticamente. É claro, no caso de um vôo tripulado, a tripulação pode responder imediatamente às suas observações. No entanto, o tempo de ida e volta torna-os não apenas extremamente distantes, mas, em termos de comunicação, extremamente isolados da Terra. Outro fator é a energia necessária para que as comunicações interestelares cheguem de forma confiável. Obviamente, gás e partículas degradariam os sinais (extinção interestelar), e haveria limites para a energia disponível para enviar o sinal.
Missões tripuladas
A massa de qualquer embarcação capaz de transportar humanos seria inevitavelmente substancialmente maior do que a necessária para uma sonda interestelar não tripulada. Os tempos de viagem muito maiores envolvidos exigiriam um sistema de suporte de vida. As primeiras missões interestelares são improváveis de transportar formas de vida.
