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La NASA dépense chaque année environ 40 millions de dollars pour la recherche en nanotechnologies. Le Ames Research Center de la NASA, situé en Californie, travaille depuis plusieurs années sur d'éventuelles applications spatiales. Des éléments de démonstration utilisant des nanotubes de carbone ont déjà été mis au point, tels un capteur pouvant servir lors de missions de cosmochimie, ou un spectromètre à rayons X, susceptible de servir à l'exploration du sol martien à l'horizon 2010.
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Lors d'un congrès sur les nanotechnologies sponsorisé par la NASA en 2004 avaient été identifiées six champs potentiels d'applications spatiales : les nanomatériaux pourraient être utilisés dans la construction de véhicules spatiaux grâce à leur faible masse, leur forte résistance en traction et leur capacité à conduire la chaleur et l'électricité. Les nanorobots, des actionneurs ou des moteurs de la taille d'une molécule, pourraient par exemple servir à l'étude de systèmes biologiques et de cellules. Des micro sondes spatiales seraient utilisées pour des missions d'exploration lointaine. Des instruments et nano senseurs très précis et non intrusifs seraient associés à des détecteurs optiques, chimiques ou électroniques pour de futures missions scientifiques.
Les nanotechnologies pourraient également être intégrées dans des équipements de support vie ou de protection de l'Environnement. Enfin, on envisage d'utiliser les nanotechnologies pour mieux caractériser les radiations dans l'espace et même protéger les astronautes de la contamination qu'elles induisent. Rappelons que dans certains projets plus futuristes d'ascenseur spatial, les filins reliant la Terre et les véhicules spatiaux en orbite géostationnaire seraient constitués de nanotubes en carbone.
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