מגוון שיטות ודרכים להתמודדות עם הבעיות הוצעו עד כה, מספינת חלל רב־דורית שבה יגדלו דורות של בני אדם ועד לגשושיות מיקרוסקופיות. כמו כן, הוצעו גם מגוון של שיטות הנעה שיאיצו את המשימה למהירות הנדרשת, כמו אלו המבוססות על אנרגיה גרעינית או באמצעות קרני לייזר וכן שיטות המבוססות על פיזיקה תאורטית. למרות זאת, דרושה קפיצה טכנולוגיה משמעותית כדי להוציא זאת לפועל וישנם אתגרים רבים, כלכליים וטכנולוגיים, כדי להביא למימוש הדבר. לפי רוב הרעיונות, למסע בין כוכבי דרוש פיתוח של מערכת לוגיסטיקה אשר מסוגלת לשאת מיליוני טונות והספק בסדר גודל של ג'יגה ואט.
האתגרים.
מרחק וזמן המסע.
בתוך מערכת השמש נמדדים המרחקים ביחידות אסטרונומיות, כאשר יחידה אחת שוות ערך למרחק הממוצע בין כדור הארץ לשמש (כ־150 מיליון קילומטר). כוכב הלכת נוגה, הקרוב ביותר לכדור הארץ נמצא במרחק 0.28 יחידות אסטרונומיות ואילו נפטון, המרוחק ביותר מן השמש, הוא במרחק 29.8 יחידות אסטרונומיות. וויאג'ר 1, העצם המלאכותי המרוחק ביותר אשר שוגר בשנת 1977, נמצא במרחק של 135 יחידות אסטרונומיות מכדור הארץ (נכון לאוגוסט 2016).לעומת זאת, בחישוב המרחק בין מערכות כוכבי לכת, מדובר במאות אלפי יחידות אסטרונומיות. לשם המחשה, פרוקסימה קנטאורי, הכוכב הקרוב ביותר למערכת השמש, הוא במרחק של 268,332 יחידות אסטרונומיות (פי 9,004 מאשר המרחק מנפטון). לכן, על פי רוב גם ההתייחסות למרחקים אלה היא בשנות אור, מרחק שאותו לוקח לקרן אור לעבור בשנה אחת של כדור הארץ. כך שניתן לראות את הדברים גם כך, שפרוקסימה קנטאורי נמצא במרחק 4.24 שנות אור מכדור הארץ, לעומת נפטון שנמצא במרחק 4 שעות אור או השמש במרחק 8 דקות אור. וויאג'ר 1, עד עתה במשך מעל ל-40 שנה, עברה מרחק של רק 1 חלקי 450 משנת אור אחת והיא החפץ הכי מהיר שהאדם יצר עד כה.
המרחקים כה עצומים שגם אם נשתמש ברקטות שמהירותן היא קילומטר בשנייה, הרי שהמסע יארך מיליון ורבע שנה אל הכוכב הקרוב ביותר. אם נבקש להגיע מעבר לסביבה הקרובה שלנו ייקח מסע כזה דורות ארוכים באופן בלתי־נתפס, שכן גלקסיית שביל החלב גודלה הוא 100,000 שנות אור ויש עוד מיליארדי גלקסיות... אפילו הזמן המינימלי של מספר שנות טיסה הוא רחוק מהניסיון והידע, במיוחד ככל שמדובר בבנייה ותכנון של משימות מאוישות.
השוואת המרחקים:
אנרגיה.
על מנת להגיע בפרק זמן סביר לכוכבים הקרובים ביותר לכדור הארץ צריך לנוע במהירויות גבוהות מאוד. השינוי באנרגיה הדרוש להאצה למהירויות כאלו הוא עצום: מדובר למעשה בפי 100 מתפוקת האנרגיה של כל העולם כיום בשנה עבור חללית בגודל סביר. זוהי כמות אנרגיה הגבוהה פי אלפים מזו שיכולות חלליות לספק כיום.
התווך הבין־כוכבי.
יש ללמוד על התווך בין־כוכבי, מאחר שהוא סביבה לא מוכרת שעלולה להסב נזק לחללית בעת מפגש וחיכוך עם אבק וגז, בגלל המהירות היחסית לגופים הנעים בחלל והאנרגיה המושקעת בתנועה בחלל. מספר אמצעים להגנה על חלליות כבר נחקרו, שכן הם רלוונטיים גם עבור משימות קיימות, וגם הוצעו מערכות הגנה מפני אבק בין כוכבי. עם זאת, עצמים גלויים לעין (אף על פי שהם נדירים בתווך הבין־כוכבי) עלולים להסב הרס לחללית, כמו גם שדה מגנטי. סביבה זו עדיין לא מוכרת.
תקשורת.
קשר כלשהו עם המשימה, בין שהיא מאוישת או שהיא לא, חייב להיווצר על מנת שיהיה תוקף למחקר מדעי והן לצורך שליחת פקודות מחשב או הנחיות לצוות החללית; לא פחות חשוב מכך הוא הצורך לקבל מידע בחזרה, בעיקר בנוגע לממצאים. גלי רדיו נעים בחלל החיצון במהירות האור (300 אלף ק"מ בשנייה בקירוב), לכן שדר שמועבר מכדור הארץ לנמען במרחק שנת אור אחת ייקח לו שנה להגיע. כבר כיום במשימות מהחלקים החיצוניים של מערכת השמש לוקח זמן רב לקבל ולשלוח מידע באמצעות רשת חלל עמוק - למשל, מגשושית ניו הורייזונס כל שדר מסביבות כוכב הלכת הננסי פלוטו הגיע לכדור הארץ באיחור של 5 שעות בגלל המרחק.על מנת לתקשר עם משימות כה רחוקות יהיה צורך לפתח מערכת תקשורת למרחקים מתאימים. כמו כן, המידע יגיע באיחור של שנים ולא יהיה ניתן באמת לנהל "שיחת טלפון".
ניווט.
ניווט אסטרונומי מתייחס למיקום גרמי השמיים לעומת כדור הארץ, אולם במרחק רב מכדור הארץ לא יהיה ניתן לצור קשר באופן שוטף לשם כך ולכן יהיה צורך לצייד את המשימה בכלי עזר נוספים כדי לקבוע את המיקום המדויק שיכוון לעבר היעד.
יעדים למסע.
הודות למרחק העצום, היעדים שאפשריים למסע שכזה (בטכנולוגיות המוכרות או המוצעות תאורטית־מדעית) נמצאים בטווח של מספר קטן של שנות אור. בסביבת מערכת השמש ישנם מספר כוכבים בעלי מערכת כוכבי לכת שניתן באמצעים מסוימים להגיע אליהם:
שיטות למסע.
גשושית בלתי מאוישת.
שיטות הנעה המבוססות על טכנולוגיות קיימות או על כאלה הנמצאות בפיתוח ותכנון בפועל, תבאנה את הגשושית לכוכב הקרוב בטווח זמן של בין מאה שנים לאלפי שנים וזאת בדומה למה שכבר נעשה בתוכנית וויאג'ר. כאשר לא נשלחים בני אדם לחלל המורכבות פוחתת וגם העלויות, אך יש טעם במשימה כזו אך ורק אם תצליח להגיע לזמן מסע סביר על מנת שיהיה למשימה ערך כלשהו למדע או לאנושות.מספר שיטות שהועלו הן: פרויקט דדלוס, פרויקט איקרוס , פרויקט לונגשוט וכן פריצת דרך סטארשוט .
מאמר של יוניברס טודיי מציע שלושה רעיונות למסע לפרוקסימה קנטאורי:
גשושיות זעירות.
ישנו רעיון גשושיות זעירות אשר מסוגלות לנוע במהירות שהיא חמישית ממהירות האור. קרני לייזר מכדור הארץ יכוונו מפרש שמש אשר יאיצו את הגשושיות למהירות הרצויה ובכך יגיעו הן לאלפא קנטאורי בתוך 20 שנים. פרויקט נוסף של אוניברסיטת מישיגן עובד על חלקיקים זעירים אשר יהיו מסוגלים לתת דחיפה אל קרוב למהירות האור, שכן לפי תורת היחסות הפרטית לא ניתן לעבור את מהירות האור.
משימות מאוישות.
למשימה מאוישת יש מספר מכשולים גדולים מאוד. נכון לידע האנושי כיום לא ניתן לשלוח במהירות גבוהה מספיק שיגיעו לכוכב קרוב בזמן סביר כדי שיהיה ניתן להפיק ממנו מידע רלוונטי לאנושות שעל פני כדור הארץ, כלומר שליחת אנשים היא רק בלית ברירה לשימור המין האנושי כאשר יש יסוד להניח שכולו יושמד בעתיד הנראה לעין. מדובר על זמן איטי במיוחד שידרוש במקרה המהיר ביותר גידול של דורות בתוך החללית.לגבי מהלך המסע ותכנונו ישנן מספר בעיות נוספות:
מספר רעיונות ושיטות מוצעים:
ספינת דורות.
הרעיון הוא שיאיישו את החללית בני אדם שיתחזקו את החללית ויעסקו במשימות יומיות תוך שהם מגדלים דורות של צאצאים. בחלק מהרעיונות העתיקים יותר, הספינה דומה עקרונית ל"תיבת נח" (כפרפרזה לסיפור התנ"כי) מאחר שמעבר לבני אדם יצטרכו להיות בה גם מספר מינים של צמחים ואולי גם של בעלי חיים. אפילו בהנחה שכל הדורות שיגודלו על הספינה ויחונכו באותה סביבה טכנולוגית בלי שום בעיה, יש לרעיון זה קושי רב מאחר שהוא מביא איתו הומוגניות ב־DNA ודבר זה יוצר מקרים של פיגור שכלי ומחלות גנטיות. יתרה מכך, גם עצם ההתרבות בחלל בכל שלביה נתונה בספק בגלל חוסר הכבידה, הקרינה והעדר מחזוריות של יום ולילה.
כדי להימנע מכך יהיה צורך להטיס מלכתחילה כמות של כמה מאות אנשים ממגוון מטענים גנטיים, מה שיוסיף כובד לספינת הדורות ויאט את קצבה, או לחלופין, הארכת תוחלת החיים אפילו עד כדי חיי נצח.
עירנות מושהית.
מדענים וכותבים שונים מניחים שקיימות שיטות להכניס בני אדם באופן מכוון לעירנות מושהית . מצב זה מתאפשר באמצעות תרדמת חורף, כמו אצל יונקים מסוימים (רק לתקופה ארוכה הרבה יותר), או באמצעות קריוניקה שתשמר את בני האדם עד לקרבתם ליעד. נכון לשנת 2014 כבר נעשו ניסויים בהקפאת בני אדם ושימורם בדרך זו.
ספינת עוברים.
חללית רובוטית נושאת כמות של עוברים בשלביהם המוקדמים במצב של הקפאה, כאשר תגיע החללית ליעד העוברים יופשרו ויתפתחו בתוך רחם מלאכותי. באופן זה תיווצר מושבת חלל בידי האנשים שייווצרו בתוך החללית. רעיון זה לוקה מאוד מבחינה מוסרית, שכן בשם האנושות כביכול נשלחים עוברים לגדול בעצמם ללא הכוונה הורית ובשם רעיון שלא יהיה למין האנושי בכדור הארץ שום תועלת ממנו ככל הנראה.
דילוג בין "איים" בתווך הבין־כוכבי.
החלל אינו ריק לחלוטין - בקצה מערכת השמש של את עננת אורט וייתכן שטכנולוגיות עתידיות תצלחנה לזהות כוכבי לכת תועים. באופן תאורטי בשלב זה, אפשר באלה להקים תחנות שיעזרו להשלים את המסע הארוך בדילוגים שיחסכו קושי של טיסה ארוכה. כמו כן, באותן תחנות יוכלו להפיק אנרגיה ובכך לתדלק את המשימות - דבר זה ייתן מענה מסוים לאתגר האנרגיה שצריכה להיות מופקת במסע כזה.
במסגרת פרדוקס פרמי הועלתה הסברה שכך תרבויות של חוצנים אמורים לעשות, אולם בפועל זה לא קרה לפי הפרדוקס.
התרחבות זמן.
מקובל לחשוב שלא ניתן לטוס וגם לחזור במרחק של מעבר ל־20 שנות אור, מתוך הנחה שטייס חלל כשיר למשימה רק בגילאים 20–60 ומתוך ההבנה המדעית שלא ניתן להשיג את מהירות האור. עם זאת, הנחה זו אינה עולה בקנה אחד עם תופעת התארכות הזמן מאחר שעל חללית שתאיץ למהירות הקרובה למהירות האור תחול אחת המשוואות של תורת היחסות הפרטית, לפיה ככל שנעים מהר יותר כך הזמן עובר לאט יותר. במילים אחרות, אם יתאפשר לאדם לנוע במהירות גבוהה ביותר תהיה אפשרות שיחזור לכדור הארץ בגיל הרבה יותר מוקדם מאשר האנשים שנולדו איתו באותה שנה ונשארו בכדור הארץ.
מסע בין גלקסיות.