在我们生活中接触到的许多科幻电影或科幻故事中，未来的太空旅行是什么样子的？因为我们与最近的轨道星体之间也有数亿公里的距离，人类如果想遍布整个太阳系，对太阳系内的行星和小行星进行殖民，这在现实中是很不容易做到的，至少以我们目前的技术水平来说是基本不可能的，即使离我们最近的邻居火星也需要七个月才能到达。这就是为什么科幻作家经常在他们的航天器上设定强大的曲速引擎驱动器和超光速驱动器，使人类能够在几天或几分钟内跨越这些距离，而不是几个月或几年。
这些巨大的的时间成本是由于我们传统火箭的限制而造成的，但新技术正在出现，它会使我们感觉像是直接从科幻电影中出来一样，而且可能有一天会完全取代传统火箭，其效率更高。 虽然这项技术仍在研发中，但在现实中已经有了用于外太空执行任务的验证，这种技术就是离子发动机，有了它未来的太空航程可能比你想象的要近得多。
对于我们不熟悉的人来说，什么是离子引擎，它们与传统的火箭有什么不同，我们对这些可能都没有什么概念。我们知道，所有的火箭都是在动量守恒的原则下工作的，如果你想往上走，你必须有足够的动量反向推动。传统的化学火箭是通过燃烧火箭燃料，氧化剂与液态甲烷等化学品混合物，加热并使其膨胀，从火箭底部发出高能量的废气流，从而把顶部被送上天空。
就像释放气球里的空气，让它在房间里呼啸而过，在这些情况下，动量是守恒的，离开气球的空气的动量等于气球飞行的动量，在火箭里，排气的动量等于火箭向上运动的力。从理论上讲，你可以通过一个非常大的气球释放它的空气在太空中旅行，但是你会遇到一个问题，你会很快耗尽空气，然后无法产生更多的推力，气球在某种程度上是一种不是非常有效的火箭推进形式，这也是我们目前的化学火箭的问题，尽管燃烧化学燃料确实比简单地从气球中挤出更多的动能，但化学火箭仍然不是那么高效，因为如果你想走得更快，你可以通过燃烧燃料而不是燃烧更热的材料来加速排气的速度是有上限的。对于这样的火箭，唯一的解决办法是燃烧更多的燃料，这意味着你需要携带更多的燃料，这意味着你的火箭必须更大更重，需要更多的燃料，一旦你用完了上述燃料，你就不能再产生推力了。
而目前我们不可能有足够大的火箭来携带足够的燃料来加速乘客到达火星，考虑到目前正在发射的一些火箭超过60米的尺寸，如最近将航天器送到月球的Artemis 1 SLS火箭，其主要核心级装满的280万升的燃料在发射后的头10分钟内就全部烧完了，如果要携带足够的燃料一路加速到火星，就需要一艘大得离谱的飞船，这就需要巨大的推力才能让它离开地面，这是很不高效的。
动量等于质量乘以速度，化学火箭是通过简单地把更多的质量从推进器的后面扔出去来提高速度，但如果我们提高质量的扔出速度，也会增加动量，给你更大的推力，这就可以了。这就是离子发动机的工作原理，离子发动机试图以电的方式给推进器提供推力，而不是燃烧燃料导致的快速膨胀，它们制造离子或电荷粒子，然后沿着电磁场加速，有时速度可以达到每小时146000公里，这取决于加速模型，你拥有的电力越多，你就能给这种粒子带来越多的动量，它离开火箭推进器的速度越快，你的火箭就能获得更多的动量来向前移动。
这意味着，只要你能创造足够的电能来加速你的粒子，你就可以在旅途中使用更少的燃料，相比之下离子发动机比化学火箭的效率就高得太多了，化学火箭的燃料效率可以达到35%，而离子发动机可以达到90%，美国的航天飞机的最高速度是每小时29000公里，而离子推进器可以达到这个速度的11倍， 它的上限是你能产生多少电力，而不是油箱里有多少燃料。
如果离子发动机如此优越，为什么我们还没有开始使用它们，这个问题有点误导，实际上我们已经开始在使用它们了。在1972年至90年代后期的一段时间里，苏联卫星使用了霍尔效应推进器，这就是一种离子推进器，作为其卫星的稳定器，这种功能至今仍在卫星上使用，Space-x的星链卫星也使用了霍尔效应推进器，甚至我们的天宫空间站除了由推进剂推动外，还有四个霍尔效应推进器，用于调整和维持空间站的轨道，据报道，这些推进器已经连续工作了8240个小时，没有出现任何问题。
而如此高效的离子推进器为什么还没有取代传统火箭呢，你可能已经感觉到了，我们目前发展出来的这一代的离子推进器有一个致命的弱点，那就是弱的可怜的推力。如果你拿一个离子推进器并伸出你的手试图阻止它的移动，你可能只会感到的大约相当于一张纸的力量，这是我们目前的科技水平所限制的。但离子推进器可以加速很多年，它们通常使用化学惰性气体作为燃料来源，所以非常安全，它们可以将粒子加速到巨大的速度，因为被加速的粒子数量很少，所以这种推力是微小的，离子发动机无法产生足够大的推力，使航天器离开地球，但是在太空中是没有空气阻力的，这意味着如果有足够的加速时间，这种微小的推进器可以一直加速，让你到达任何你想去的地方。
在离子推进器能够完全取代传统火箭之前还有很长的路要走，虽然它们的效率令人难以置信，但它们的推力却差强人意。在卫星上的使用意味着离子推进器已经有了自己的定位，而科学家们也一直在寻找解决离子推进器技术难题的办法。目前，传统的化学火箭仍然是短程高推力旅行的唯一选择，但有一天，如果这些难题被克服，离子发动机就会成为唯一值得使用的推进器类型，那么整个太阳系将向我们敞开前所未有的大门，到那时候，也许我们休闲时就可以去火星度假。
