Enquanto que na propulsão propergólica temos combustível e comburente na não propergólica, temos somente um fluido propulsivo que é aquecido a temperaturas elevadas sendo depois ejectado a grande velocidade. Existem vários tipos de propulsão não propergólica, mas uma das mais faladas tem sido a nuclear. Neste tipo de propulsão, um fluido propulsivo como o hidrogénio é aquecido por um reactor nuclear a temperaturas elevadas sendo depois ejectado a grande velocidade. Este tipo de propulsão apresenta melhor rendimento do que a combustão H2 + O2, pois esta última produz vapor de água, mais pesado que H2.Desta forma, para uma missão tripulada a um planeta distante como o Marte, um sistema de propulsão nuclear é mais vantajoso em termos de impulso do que a tradicional propulsão química, pois consegue maiores velocidades de ejecção do que um sistema químico. Num sistema nuclear o hidrogénio pode atingir velocidades de ejecção de 10 km/s.Embora vários sistemas de propulsão nuclear tenham sido experimentados nos Estados Unidos e na antiga União Soviética, a investigação a este nível ainda não conseguiu produzir máquinas suficientemente leves e potentes para terem uma aplicação prática. No entanto, o orçamento da NASA para 2004 tem uma verba de 93 milhões de dólares para o chamado projecto Prometeu, que visa desenvolver sistemas de propulsão nuclear para futuras missões de exploração planetária. No entanto, tal possibilidade é polémica, pois o uso de energia nuclear no espaço suscita sempre grandes resistências.Para já, a NASA estar a pensar numa missão a Júpiter chamada Jupiter Icy Moon Orbiter, que visitará três das grandes luas de Júpiter (Io, Europa e Ganimedes), na próxima década. Esta sonda irá usar um reactor de fissão nuclear para alimentar um sistema de propulsão iónica. Portanto, não se trata de uma missão de propulsão nuclear, mas o uso de um gerador nuclear maior do que o habitual poderá trazer grande polémica à missão.