Die Idee, das Treibstoff schluckende Triebwerk eines Raumflugzeugs zurückzulassen und die unerschöpfliche Energie des Sonnen- oder Sternenlichts für den Antrieb zu nutzen, bietet sich als verlockende Lösung für die Verringerung der Masse eines Raumflugzeugs an. Allerdings hat eine solche Lösung den eindeutigen Nachteil, dass man von einem starken Photonenstrom abhängig ist, um dem Raumschiff die notwendige Beschleunigung zu verleihen. Für interstellare Reisen brauchen Lichtsegel-Raumschiffe äußerst großflächige Strukturen wie riesige Sonnenenergierelais für einen Flug um den Merkur und ernorme Fresnel-Zonen für Reisen ins äußere Sonnensystem.

Da Licht Druck auf Flächen ausübt, kann der Photonenstrom für den Antrieb in einem nahezu reibungslosen Umfeld genutzt werden. Hierauf beruht das Licht- (oder Sonnen-) Segelkonzept. Es ist eine Raumflugmethode, bei der kein Treibstoff mitgeführt zu werden braucht. Allerdings sind Segel, die den Sonnenwind oder nur das Licht von Sternen nutzen, mitzunehmender Entfernung immer weniger wirksam. In der Science-fiction trifft man seit den 20er Jahren auf Sonnensegel. Bei den frühen Modellen handelte es sich um riesige Raumschiffe mit mehreren Segeln. In anderen Arbeiten dienen Lichtsegel dazu, interstellare Staustrahl-Raumfahrzeuge auf Staugeschwindigkeit zu beschleunigen. Zur Steigerung des Wirkungsgrades können auch bodengestützte Laser eingesetzt werden. Monochromatisches Licht verstärkt die Reflexionsfähigkeit des Segelmaterials und verleiht
einen höhere Beschleunigung. Die Wirkung nimmt mit der Entfernung ab, aber viel langsamer, als wenn das Raumschiff nur Sonnenlicht nutzen würde. Der Laserstrahl kann von riesigen Fresnel-Zonen neu gebündelt werden. Lichtsegel werden enorme Flächen haben, aber dafür braucht das Raumschiff keinen Treibstoff und keine riesigen Triebwerke mitzuführen. Alternativen zu Lichtsegeln sind Mikrowellen-, Teilchen- und magnetische Segel sowie Laser- oder solarthermische und elektrische Antriebe.

Das Lichtsegel beruht auf der 1873 von James C. Maxwell gemachten Entdeckung, dass von einem Spiegel reflektiertes Licht Druck auf den Spiegel ausübt. Da Photonen laut Einstein Masse besitzen, kann demnach ein Raumfahrzeug unter Ausnutzung des ziemlich niedrigen Reibungskoeffizienten des Weltalls von A nach B fliegen, ohne umfangreiche Antriebsvorrichtungen und vor allem Treibstoff mitzuführen. Logistisch gesehen ist dies ein großes Plus. Der Treibstoff wird von benachbarten Sternen oder Hochleistungslasern geliefert.

Arthur C. Clarke hat in den frühen 60ern "Sunjammer" geschrieben, aber eine derfrühesten Quellen für Lichtsegel ist eine Sammlung von Arbeiten von Cordwainer Smith. Unter diesem Namen hat Dr. Paul M. A. Linebarger in den 50ern Science-fiction geschrieben. In dieser Geschichte werden die ersten bemannten interstellaren Raumschiffe von Lichtsegeln angetrieben. Die kleinsten Segel in der Frühzeitwaren nur 5000 km² groß. Sie waren aus "Gewebemetall" hergestellt-wahrscheinlich ein feines Netz, damit diese enormen Segel leicht waren. Jedes Raumschiff führte viele Segel und wurde wie die heutigen Segelschiffe durch Verstellung der Segel gesteuert. Larry Niven ist ein späterer SF-Schriftsteller, der Lichtsegel sehr ausgiebig in seinen "Tales of Known Space" verwendet, wo sie dazu dienen, ein Raumschiff so zu beschleunigen, dass interstellare Staustrahltrichter genutzt werden können. Seine Lichtsegel werden fast immer von riesigen Lasern angetrieben, die entweder auf Schienen auf dem Merkur oder auf Asteroiden im Gürtel zwischen Erde und Mars platziert sind. In einer Geschichte mit dem Titel "Der Splitter im Auge Gottes" (engl. "The Mote in God's Eye"), die er zusammen mit Jerry Pournelle geschrieben hat und die in Pournelles eigenem Universum angesiedelt ist, findet die erste Begegnung mit einer intelligenten außerirdischen Spezies mit Hilfe eines Laser-betriebenen Lichtsegels statt.

Es gibt mehrere Arten von Lichtsegeln. Bei der Grundausführung wird nur das Licht von Sternen genutzt. Dieses Modell findet bei Cordwainer Smith Verwendung. Eine Beschleunigung findet nur so lange statt, wie genügend Licht einfällt, und dies ist nur im inneren Teil von Sonnensystemen der Fall. In diesen Regionen stellen Lichtsegel eine billige und wirksame Antriebsmethode dar. Die Beschleunigung ist gering und die Höchstgeschwindigkeit wird gewöhnlich auf 25% der Lichtgeschwindigkeit veranschlagt. In dem Maße, wie die Entfernung zur Photonenquelle zunimmt, ist auch eine Verstärkung des Wirkungsgrades des Lichtsegels notwendig, um das Raumschiff weiter zu beschleunigen. Es kann aber ein Punkt erreicht werden, wo die Antriebskraft eines Segels durch die Reibung der auf das Raumschiff auftreffenden interstellaren Materie aufgehoben wird.

Die einfachste Form von Lichtsegeln ist ein großer Kreis oder ein großes Quadrat, die durch Drähte mit dem Raumschiff verbunden sind. Dieses Modell verwendet Robert Forward in seinem Roman "Rocheworld", wo es zwar zu einer Verformung des Segels kommt, die der Mannschaft aber keine große Sorge bereitet. Die Gefahr, dass das Segel im an- und abschwellenden Photonenstrom von der Sonne ins Flattern gerät oder kollabiert, wird anscheinend nur in der realen Welt als Problem betrachtet, wo man eine Versteifung des Segels mit Stangen in Betracht zieht.

Eine andere Segelart ist das mit Laser betriebene Lichtsegel, bei dem ein Riesen-Laser oder ein System von Lasern das Segel mit monochromatischem Licht bombardiert. Dies ist günstig, da es leichter ist, wirksame Reflektoren für monochromatisches Licht als Reflektoren für gewöhnliches Sonnenlicht zu schaffen, das aus einem Spektrum von Wellenlängen besteht. Um wirksam zu sein, muss der Laser enorm groß sein und sein Strahl gebündelt werden, bevor das Licht das Segel erreicht. Das Laserbetriebene Sonnensegel ist anscheinend als einziges effektiv genug für interstellare Reisen. In Larry Nivens frühen "Tales of Known Space" werden riesige Laser-Batterien auf dem Merkur eingesetzt, die von einem losen Netz von Sonnenkollektoren umgeben sind.
Bei Robert Forward kommt eine Linse von der Größe des Staates Texas (eine Fresnel-Zone) zwischen Saturn und Neptun vor, die das Licht von mehreren Tausend um den Merkur kreisenden Sonnenkollektoren bündelt. Diese solargepumpten Laser haben eine Sammelleistung von 65 GW.

Das Lichtsegel selbst ist zweistufig, wobei das große äußere Segel leicht schüsselförmig ist. Beim Erreichen von Alpha Centauri (oder Barnards Pfeilstern) wird es von einem inneren Segel abgekoppelt (aber sehr wahrscheinlich noch mit ihm verbunden bleiben). Das große Außensegel fokussiert dann den Laserstrahl zurück auf das Innensegel und bremst so das Raumschiff. Der Nachteil Laser-betriebener Lichtsegel ist die enorme Laser-Leistung, die notwendig ist, um ein Raumschiff über interstellare Entfernungen anzutreiben.

Es sind auch Alternativen zu Lichtsegeln vorgeschlagen worden. Das Mikrowellensegel ist ebenfalls ein Vorschlag von Robert Forward. Ein winziges Raumflugzeug, die Starwisp, wird von Mikrowellen angetrieben, die von einem solarbetriebenen Satelliten in der Erdumlaufbahn ausgesendet werden. Das Raumflugzeug würde hauptsächlich aus einem mit Mikroschaltkreisen belegten Netzsegel mit 1 km Durchmesser bestehen und nur einige Gramm wiegen. Die Strahlleistung dürfte 65-100 GW betragen und das 4-5 g wiegende Raumfahrzeug 20% der Lichtgeschwindigkeit erreichen lassen. Hierbei würde wiederum eine Fresnel-Zone zur Bündelung der Mikrowellenstrahlen genutzt.

Teilchensegel sind genaugenommen keine Segel-Raumschiffe, aber auch sie fangen einen Strahl von einem bodengestützten Sender ein, den sie zur Beschleunigung nutzen. Der Strahl besteht in diesem Fall aus einem Strom von schwereren aber langsameren Teilchen wie Protonen, die von einem Fusionsreaktor als Plasma abgestrahlt werden. Der Strahl würde sich schnell zerstreuen, könnte aber einen Schub von bis zu 1000 g liefern, der das Raumfahrzeug auf ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bevor die Wirkung abebbt. Die hinsichtlich der Strahlprojektion bestehenden Beschränkungen würden allerdings nur interstellare Einbahn-Missionen zulassen.

Das elektromagnetische Segel beruht auf der Lenzschen Regel (die induzierte Spannung ist stets so gerichtet, dass das Magnetfeld des durch sie verursachten Stroms der Induktionsursache entgegenwirkt). Die Schleife sollte aus supraleitenden Drähten bestehen; sie dehnt sich, wenn sie unter Spannung gesetzt wird, zu einem Kreis aus. Das Raumfahrzeug wird an dieser Schleife befestigt. Geladene Teilchen, die unter einem anderen Winkel als parallel zum Magnetfeld auf die Schleife treffen, geben einen Teil ihres Kraftmoments an das Feld ab und treiben somit das Raumfahrzeug vorwärts. Ein 361 schweres magnetisches Segel könnte je nach seiner Ausrichtung Beschleunigungen von 0.0001 m/s² bis 0.009 m/s² bewirken. Mit lediglich 10 km Durchmesser ist es im Vergleich zu einem Standardlichtsegel sehr klein.

Sonnensegel sind schon fast keine Fiktion mehr. Die Russen haben unter der Bezeichnung Znamya Versuche mit leichten Dünnfilm-Anordnungen im Weltraum angestellt, die anscheinend auf die Beleuchtung von Flecken auf der Erde abzielten, aber auch der Erprobung neuartiger Antriebsmethoden dienten. In den Vereinigten Staaten ist es gelungen, mit Hilfe eines Laserstrahls einen leichten schalenförmigen Gegenstand 20 m hoch schweben zu lassen. In Europa haben ESA und DLR Sonnensegeltechnologie entwickelt; das entsprechende Gerät ist klein genug, um in den Weltraum mitgeführt werden zu können, und leicht genug, um wirksames Segeln zu ermöglichen. Man hat ein 20m x 20m großes Modell aus aluminiumbeschichteten Segelsegmenten mit kohlefaserverstärkten Kunststoffhaken angefertigt und getestet.