但是，目前的化学燃料的能量密度远远达不到星际航行的要求。我们首先想到的是用核能来解决上述问题，核能是目前我们所利用的能源中唯一不来源于太阳能的能源，它储存在具有放射性裂变和聚变元素原子核内，所以又叫做原子能。而化学能最终来源是太阳能，它储存在构成燃料的分子中，又叫做分子能。从分子级别上升至原子级别，能量密度有了质的飞跃，据计算，1千克轴235全部裂变释放出的能量，相当于2700吨标准煤燃烧释放出的能量，或相当于560吨液氢释放的能量。原子能的能量密度是化学能（分子能）的106倍。
为什么核能拥有如此高的能量密度？这是源于爱因斯坦质能方程E=mc2的理论，当原子之间发生核反应时，不论是裂变还是聚变，都有极少量的质量亏损，这些减少掉的质量转化成了能量，它们之间的转化比率约是光速的平方，这是一个十分巨大的倍数，因此原子能量的密度大得惊人。利用核燃料作为飞船的推进剂无疑是最好的选择。
核能火箭发动机是未来载人火星旅行必须应用到的动力装置，它用核反应堆释放的能量加热工质液氢。液氢进入发动机推力室的冷却夹套，对其进行冷却，同时也使液氢膨胀为气态，驱动涡轮泵工作建立燃料循环。随后氢气通过吸收核反应放出的大量的热，使自身温度和压力急剧升高，进入喷管后膨胀做功，产生的高速气流向后喷出形成推力。核能火箭发动机比冲可以达到12500N S/kg左右。
因此我们有了足够的能量为飞船在短时间内飞行提供强大的动力，而不至于额外增加太多的质量。如果我们将飞行速度提高到50千米/秒，这样，就可以利用40天左右的时间飞抵火星。在发射的过程中，发动机顺航向工作，喷射出高速物质流为飞船加速，在抵达火星前飞船倒转，发动机逆航向工作，飞船速度降低。因为有核能作为动力，我们不必为了节省能源而去浪费时间。
核动力火箭发动机虽有强劲的动力，但是相比于电磁火箭发动机的比冲，还是小了很多。为了充分利用核能的优势并降低其风险性，我们需再引进电-磁火箭推进技术，将两者结合，就可以设计出目前用于火星旅行最佳的动力装置。
磁镜：是一种中间弱、两端强的特殊磁场位形，最简单的磁镜是两个电流方向相同的线圈产生的中间弱、两端强的磁场，带电粒子可在其中来回运动，实现轴向动能和磁场径向动能的转化。
电-磁火箭技术
传统的电-磁火箭，是利用电能转化为工质的动能形成推力。电能是通过太阳能、化学能或者核能转化得到的。而按加速工质的方式不同，电-磁火箭发动机又分为电热火箭发动机、静电火箭发动机和电磁火箭发动机。电热火箭发动机利用电阻丝或电弧加热工质，使其气化后，经喷管膨胀加速形成推力；静电火箭发动机将工质经电离室电离成离子，再经过电场加速形成高速离子流产生推力；电磁火箭发动机是利用电磁场来加速电离形成的离子体产生射流形成推力，这三种电火箭发动机工作时都需要消耗大量的电能，但是绝大部分的电能均以热能形式损失掉。虽然比冲高，可达20000～30000N s/kg，但是效率极低。
在目前的电-磁推进技术中，可变比冲磁等离子体火箭发动机（VSAIMR）是一种最有前途的方案。新概念的VASIMR采用近似于无线电波的射频加热技术，将氢、氩等气体离子化，形成等离子体，并将等离子体再次加热到1000万摄氏度，使其获得高比冲，比传统的电-磁火箭发动机动力高出100倍。由于采用无线电波对离子体加热，没有电极部件与等离子体接触，使得发动机使用寿命较长。
VASIMR的核心构成是前、中、后3个磁性单元，中性气体首先进入前部磁性单元，在那里通过环绕于石英管外壁的线圈射频离子化加热，所产生的为高密度螺旋波等离子体，在0.1Pa的低压下等离子的数量达到了10u00313/cm3。等离子体随后进入中部磁性单元，进行回旋共振加热。等离子体在磁场中作回旋运动的同时向等离子体发射射频能量。如果外加射频频率等于等离子回旋运动的共振频率，等离子体就会吸收能量，温度提高，最终可使等离子体温度上升到1000万摄氏度。由于离子体能量增加，离子的回旋半径增大，进而起到加速的作用，此时离子体的所有能量均在径向上分布。后部磁性单元相当于磁性喷管，利用了类似核聚变的磁镜原理，它将等离子体径向的回旋运动能量转变为轴向喷射的速度，由射频加热的等离子体最终可获得100千米/秒的出口速度，比冲可高达5×104N s/kg。
VASIMR是由美国前宇航员张福林在1979年提出的概念，他在2005年创建了艾德 阿斯特拉火箭公司，一直致力于VASIMR的研究与开发，并已经与NASA签署协议，将在2012年为国际空间站送入一台200千瓦VASIMR进行在轨测试，如果一切顺利，VASIMR很有可能成为人类未来星际航行的首选发动机。
VASIMR利用磁场将热能转化为等离子体的动能，使热能不会耗散掉。在确保高效率的同时，再利用磁场使等离子体加速，产生强劲的推力，最终让飞船以55千米/秒的速度飞行。VASIMR所依赖的大功率电能来源正好由核能转化提供，这种组合甚至比传统的核能发动机和电-磁火箭发动机效率更高。宇宙飞船如装有一台功率为10～20兆瓦的VASIMR可以在39天内将宇航员送上火星，比常规化学燃料发动机需8个月左右时间短了很多。
也许未来我们可以在宇宙飞船上装备用核能驱动的VASIMR，到达的地点不仅仅是火星。在增强发动机的功率和提升效率后，飞船可具备更高的速度，还可以到达木星、土星和它们的卫星，甚至是更远的天王星、海王星。只有到了那个时候，我们可以说人类不仅是地球的主人，而且是整个太阳系的主人，其实从我们克服了地球引力进入宇宙空间，直到征服整个太阳系，最需要解决的就是能源问题，因为只有找到一种合适的能源，才能提高航天器的飞行速度，太阳系的时空距离才变得渺小，能源是人类活动范围从近地轨道扩展至整个太阳系过程中的核心决定因素。
有限的速度提升
但是不管我们如何提高速度，任何速度最终会到达一个极限。在人类的活动领域扩散至整个太阳系的阶段，速度还不是限制我们发展的障碍，我们可以利用能源使航天器的速度获得大幅度的提升，这也是人类第一阶段克服引力进入宇宙空间之后进入的第二个发展阶段，而其中的登陆月球，登陆火星……便是这个阶段中的每一个步骤。
在银河系中，类似太阳系这样的恒星有近1000亿颗，其中离我们最近的恒星叫做半人马座星，它距离太阳大约是4.22光年。这意味着飞船即使以光速飞行，也需要4年多的时间才能抵达，那么以人类所能达到光速2%的最高航行速度航行，大概需要200多年的时间才能到达，这相当于三代人所经历的岁月。对于飞往半人马座星这种在宇宙中距离最近的恒星际航行人类尚且如此勉强，殊不知这一段距离仅仅是整个银河系的两万五千分之一。
人类如果能找到适合我们居住的星球，当然是更有意义。2011年12月6日， NASA利用“开普勒”空间望远镜，确认了首颗适宜居住的类地行星，其名称代号为“开普勒”-22b。这颗行星的直径为地球的2.4倍，公转周期为29天，但是它离我们有600光年，实在是太遥远，目前人类还无法想象到如何抵达那里。
在电影《阿凡达》开头所描述的情节中，未来人类乘坐装有反物质发动机的飞船前往幻想中的潘多拉星球，在长达几十年的航程里，为了减少生命时光在飞船中的流逝，采用了休眠的技术。虽然这种方式可以延长生命，但是它只对宇航员有效，对于处在地球上的家人和朋友来说，自己离家出征与亲人们告别的那一刻，就是看到他们在世的最后一眼，因为他们在漫长休眠的过程中，生命时光在一点一点消耗。当历经近百年的航行结束时，自己在飞船中采用休眠技术也许仅仅过了十几年，但是此时家人和朋友早已不在人世。未来的星际航行应该是自由便捷的，而不应该面对像这样的生离死别的情景，没有感情依托的航行也就失去了意义。
以现在的天文观测技术测定，银河系的直径约为10万光年，由两条主旋臂和两条次旋臂组成一个涡旋状星系。我们的太阳系位于银河系的猎户旋臂上，距离银河系中心约为2.6万光年。
如果要想摆脱其中心引力的束缚飞出银河系，我们只要以100km/s的飞行速度，就可以实现逃逸，天文学上也把这个速度叫做第四宇宙速度。银河系似乎对我们很“仁慈”，它并没有在逃逸速度上给我们太大约束，因为要想达到这个速度，不用说再经过几十年，就是利用现有技术也是不难实现的。但是银河系更清楚一点，即使不给我们施加约束，一个人在有生之年，甚至用整个人类文明的发展历程的时间，也休想走出它的庞大的身躯，因为即便是运行速度最快的光，也得需要10万年的时间才能跨越银河系的两端。
探索宇宙第三阶段：用能源缩短空间
质量与惯性
爱因斯坦在1905年提出具有划时代意义的狭义相对论，其中有一个著名的推论公式即E=mc2，这个公式揭示了质量和能量的关系。既然狭义相对论说明了光速对于任何物体而言都是相同的，那么就意味着没有任何一种物质的运动速度比光跑得更快。由质能方程可知，当利用能量对物体加速时，物体本身的质量也会增加，所以对它进一步加速就变得更困难，如果把有质量的物体加速到光速，它的质量将达到无限大，所需的能量也将达到无限，所以这是不可实现的。
在我们平时所看到的宏观物体中，几乎都是以很低的速度运行，即使以每秒几十千米运行的航天器，也只是光速的万分之一，所造成的质量增加非常微小，我们当然察觉不到。但是对于微观物质情况就不一样了。坐落在法国和瑞士交界处的欧洲大型强子对撞机，它处在137米深的地下，周长27千米，可将质子流加速到光速的99.9999%，所带来的结果是质子（强子的一种）质量成倍增加。以这种速度运行的两束质子流A和B，在相反的方向上对撞，但是从质子流A观测质子流B的运行速度，不是将近两倍光速，而是一倍光速，因为在这种高速运行的情况下，物体间距离的尺度成倍缩短，时间也变得缓慢，而速度等于路程与时间之比，所以导致了所观测到的光速为恒定值。
由上可知，加速一粒小小的质子接近光速尚且如此困难，需建造如此庞大的机器，大质量的物体和宇宙飞船则更是不可能实现。
所以我们即使有再多的能量，也无法超越光速，在接近光速运动的物体，增加能量意味着增加质量，能量反而成为物体加速的障碍。不管物体运行速度有多快，光速相对于它的速度都是一样的，即30万千米／秒。物体在加速时，相对光速保持不变，而用于加速的这些能量，全部转化为物体增加的质量，如果用m0表示物体加速之前初始的质量，m表示物体受到能量加速后，速度接近光速时的质量，那么物体此时的总能量应为mc2，物体的动能为Ek=mc2-m0c2。在这个过程中，物体的能量和质量都发生了变化，其实质是能量向质量进行了转化。
而能量却不同于质量所具备的一些性质，由爱因斯坦的质能方程可以看出，能量和质量可以相互转化，因此两者在某种程度上是统一的一种物质，只是这一种物质的两种不同的形态。
牛顿在17世纪提出了著名的运动学三定律，其中牛顿第一定律说明物体在不受外力的情况下，总保持静止状态或匀速直线运动状态。后来这个定律又称为惯性定律，证实了惯性是物体的一种属性。因为我们所知的物体都具有质量，也就都具有惯性，物体本身不会自身改变速度而使运动状态发生变化，除非我们对它施加外力，或者对其做功。正是由于物体的惯性才阻碍了我们对它的运动状态的改变。
由于质量越大的物体，惯性也就越大，因此物体的速度增加时，根据质能方程，其惯性会因质量的增加而增加。我们是为了克服物体越来越大的惯性，才付出更多的能量，所以质量物质不能以光速或超光速运行，正是由于惯性造成的。
但是，当时人们只知道惯性是物质的固有属性，却并不知道这种特性如何产生。后来随着量子论的诞生和发展，人们发现光是由一份份不连续的量子组成的，称为光子。同时也说明光不仅仅是一种波，也具有粒子的特性。但是这种光子粒子的质量为零，零质量自然就没有了惯性，因此光子能以光速运行。
现代粒子物理标准模型规范相互作用理论阐明，自然界目前存在4种基本作用力：电磁力、弱相互作用力、强相互作用力和引力。电磁力是电磁场间的作用力，麦克斯韦在1873年将电磁场统一，即变化的电场（或磁场）会产生变化的磁场（或电场），使电磁力无论是在电场还是在磁场中，有着相同的本质。由于电磁力是通过电磁波传递的，因此组成电磁波的光子就是电磁力的传递粒子。
